林金明：CM-MS為細胞研究提供新工具
分析測試百科網訊 中國有句古話，“工欲善其事，必先利其器”，在細胞分析方面的意義則是為了闡明細胞的生命過程，需要特殊的工具。細胞作為生命組成的基本單位，了解其相關的生物行為及其規律與本質，對于揭示生命的奧秘，探索疾病的機理與治療手段，提高人類的生存壽命與質量，都有著十分重要的意義。
細胞的研究是一個極其復雜的工程，細胞在人體內處于復雜的微環境之中，包括溫度、氧氣濃度、生物因子濃度、機械作用、細胞間相互作用、細胞基質間相互作用等，同時，由于細胞體積微小、種類多樣，因此在細胞水平進行細胞識別、代謝物檢測、內部組分分析等相關工作存在很大的難度。
自上世紀九十年代以來，微流控技術得到了極大的發展，目前已經成為細胞研究領域的重要工具。因其具有精確操控、靈敏度高、選擇性高、試劑消耗量小、結構功能多樣化等特點，因此這項技術被廣泛地應用于細胞相關領域的研究，包括細胞培養、細胞捕獲、細胞分化、細胞遷移、細胞融合、藥物代謝、細胞通信、組織工程等。在2018年5月23日，清華大學林金明教授在北京大學醫學部為相關學者帶來微流控芯片-質譜聯用（CM-MS）細胞分析方法研究技術交流會。會后，百科網小編邀請林金明教授詳細講述了與島津公司合作的來龍去脈，同時也介紹這款儀器的特點。
清華大學教授 林金明
合作13年 從發表文章到商品化產品
談到和島津的合作，林金明表示：“我們課題組長期開展環境及生命分析相關的研究，通過使用GC-MS、LC-MS以及MCE等儀器建立環境污染物以及生物樣品預處理與分離分析方法。我們從2005年開始與島津公司合作，2006年起開始合作發表相關的研究論文，內容從用GC-MS測定蔬菜中農藥，到用LC-MS測定水中的環境污染物，再到現在的微流動芯片-質譜聯用”。在合作13年間，課題組與島津公司先后在國內外著名期刊合作發表數十篇相關論文，同時培養了十余名博士和碩士研究生，合作也為人才培養提供了優越的科研平臺。近年來，在國家自然科學基金委儀器專項的支持下，課題組加大力度開展微流控芯片細胞分析方法的研究，取得一系列系創新性的研究成果并申請了多項國家發明專利。
“大約兩年前，在我們成功研制了微流控芯片質譜聯用細胞分析系統的基礎上，通過與島津方面幾次深入交流討論，我和島津公司的高層都對未來細胞分析的需求和前景看好，與此同時，島津中國的研發團隊也對儀器具體設計和開發制造提供了有力的支持，因此我們開始了兩年的合作開發”。經過兩年不懈的努力，雙方最終成功研制了微流控芯片質譜聯用細胞分析系統（Cell Microchip Mass Spectrometer，CM-MS）。
林金明表示，目前這款CM-MS產品主要應用于科研、新藥開發、環境污染物的毒性評價等研究和人才培養。
全球唯一細胞培養和細胞分析一體自動化產品
談到CM-MS系統的特色，林金明表示：“細胞培養和細胞分析可以分成兩個過程”，傳統的研究方法在培養皿或者微孔板上進行細胞培養，顯微觀察細胞的形態變化，靜態提取上清液進行代謝物分析，需要人工操作將兩個過程結合起來。在成功研發CM-MS后，實現了微流控芯片上細胞的動態培養、顯微觀察和代謝物的自動提取，細胞培養與分析兩個過程可以自動化完成。
林金明表示，細胞操作需要一定的實驗經驗，“我們的學生經過一段時間的實驗，可以手動進行操作。現在有了自動化的儀器，我們可以把細胞的注入、芯片中的細胞培養、給藥、細胞形態觀察、代謝物的提取、進樣、質譜分析等通過儀器來自動、快速地完成。”
談到CM-MS可達到的分析尺度，林金明表示：微流控芯片的特點之一是通道及細胞培養腔尺度小，適合于細胞的培養和操作。通過設計不同的微流控芯片，以及不同大小不同修飾材料的內部腔體，可以實現單細胞培養或者細胞共培養。
據悉，CM-MS是全球首創產品，目前尚沒有同類競爭產品。
CM-MS系統組成和特點
CM-MS系統由四個主要單元組成：
1）細胞培養基的微流控送液單元。
2）微流控細胞培養與觀察單元，包括細胞培養的六通道微流控芯片、溫度控制、CO2提供以及顯微觀察。
3）微流控芯片上細胞代謝物進樣和富集單元。
4）后端的島津三重四極桿質譜單元。
通過島津精密的儀器設計和機械加工技術，最終成功地把微流控芯片和質譜兩個系統結合起來。
此次研制的微流控芯片部分設計了六通道以及六個細胞培養腔，培養基通過六個分別獨立的微注射泵穩定輸送到細胞培養腔。微流控芯片細胞培養單元具有控溫和CO2控制提供功能，方便研究人員對細胞的在線培養及顯微觀察。芯片進樣器還具有特制芯片安裝槽，可輕松裝取芯片，并內置可實時觀察細胞狀態的CCD顯微鏡。
細胞微流控芯片質譜聯用分析儀Cell Microchip Mass Spectrometer（CM-MS）
CM-MS系統的應用領域
談及應用方向林金明表示：“對于研究細胞的學者來說，CM-MS是一個全新的方法學工具。研究者可以利用這臺儀器開展各種研究，比如細胞的藥物代謝研究，環境污染物、營養物質對細胞培養和成長過程的影響研究、疾病機理的研究等等”。利用微流控芯片的實時在線監測功能以及質譜的高靈敏度、快速分析能力，CM-MS有助于研究者高效地得到更加準確、豐富的研究結果，可以探索更多細胞的奧秘。
林金明還談及CM-MS在分析化學研究史上的更多意義。林金明表示，分析化學歷史發展有四個重要的階段，即無機元素分析；利用氣相色譜等進行有機小分子分離分析；利用液相色譜等進行較大分子分離分析；利用電泳技術分離分析蛋白質核酸等生命大分子。目前，最新的階段劃分屬于電泳分離技術的微流控芯片技術。近百年來，隨著質譜的出現及其同分離技術的聯用，人們探索物質奧秘的手段更加強大。雖然顯微鏡技術可以看清細胞結構，但要分辨細胞代謝物中成百上千種物質，目前最好的技術是質譜。此外，分析化學的發展趨勢還包括從靜態分析到動態分析，除了完成細胞培養和分析的一體自動化，CM-MS系統還可以在線觀察細胞動態的變化，并用質譜鑒定其代謝產物。
“產學研用”的甜蜜果實
林金明說：“把科研成果轉化為產品，進而得以充分利用，無論是對科研單位或是企業單位，乃至對社會來說，都是一件非常有意義的事情”。清華大學作為一所頂尖、一流的院校和科研單位，不僅要在學術上引領未來，在成果轉化上也要有發展的眼光。“與島津這樣的世界一流科學儀器公司合作，充分利用其成熟的產品開發體制，汲取其領先的工業技術，依靠大公司完善的市場推廣和技術支持，強強聯手，讓成果和產品的優勢得以發揮、應用和推廣，這樣的科研可以為社會生產出更多的價值，繼而推動科學技術不斷發展，這是一個產學研用的良性循環”。
此前，林金明在進行“產學研用”結合時已取得過成功，他曾與企業合作研究開發了一系列的化學發光免疫試劑盒，并獲得市場上的成功，2014年獲得了北京市科學技術獎。林金明指出，化學免疫法的特異性和靈敏度都很高，但針對每種分子都需設計標記物，在工藝上要確保抗體的純度，而且很難同時進行多組分檢測。質譜法可以無需進行標記并可同時進行多組分的高靈敏度測定，雖然在提高特異性和抗干擾性方面需細心設計，但這項技術已經是未來發展的一個潮流。
在“產學研用”結合上，林金明也分享了自己的經驗：“最核心的想法是把學生培養成有興趣開展科學研究的專業人才”。在此之上，將實驗室研制成型或是技術上基本可行的半成品在學術會議上進行介紹和推廣，對這項技術感興趣的儀器生產企業就會主動進行交談。通過對比和考察儀器生產企業的商品化能力后，決定是否進行下一步的合作。“與島津共同合作、研發CM-MS也是經過對比多家儀器生產商后做出的決定。因為CM-MS在流路加工、細胞培養腔的控溫和CO2控制部分要求制造企業具有很強的產品化綜合能力，島津作為獲得過諾貝爾獎的企業，其儀器研發生產能力毋庸置疑，這也是我選擇與島津合作的重要原因。”
談及產品如何推廣，林金明表示，截至目前，已經和島津公司聯合舉辦了四期講習會以及儀器演示實驗，得到了很多學者、老師的關注。“未來更多的市場推廣將由島津公司的市場團隊進行，相信會取得更好的效果，這也是為什么要校企合作開發，尋求成熟的企業把科研成果進行產品化的一個優勢”。
被訪人簡介：
林金明，教授，博士生導師。
工學博士，分析化學專業。1984年福州大學畢業，1992年在日本昭和大學國際交流基金的資助下前往該大學藥學部從事訪問研究。1994年獲得日本政府獎學金轉入東京都立大學攻讀博士學位，1997年3月獲得工學博士學位，同年留校任教，2000年入選中國科學院“百人計劃”，受聘中科院生態環境研究中心研究員、博士生導師；2001年獲得國家杰出青年科學基金，2002年3月底回國工作，2004年入選清華大學“百名人才引進計劃”，受聘清華大學化學系教授、博士生導師。2008年受聘教育部長江學者特聘教授,2014年入選英國皇家化學會會士。目前主要從事微流控芯片質譜聯用細胞分析、化學發光/熒光免疫分析、復雜樣品前處理分析、空氣負離子檢測與健康評估等研究。已培養博士研究生43名（含聯合培養，其中留學生2名）、碩士研究生28名、博士后11名（其中留學生3名）、訪問學者10名（其中外國訪問學者1名）。
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