【执着“钠”十年 钠离子电池迎来“破晓”】“如果失败了呢？”
“成与不成，这辈子只干这一件事。”
当众多人聚焦锂离子电池的时候，他把目光转向了“冷门”的钠离子电池，这“一眼”就是10年，也是这“一眼”打开了钠离子电池产业化的大门。此时的胡勇胜，不仅是中国科学院物理研究所研究员，还是中科海钠的创始人。
不久前，中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产，目前电芯产能可达30万只/月。
全球首辆钠离子电池低速电动车亮相中科院物理所九十周年所庆 胡勇胜供图
从“一枝独秀”到“珠联璧合”
历经200余年的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。二十世纪九十年代，在众多二次电池中，锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。
据中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示：在全球电化学规模储能示范项目中，锂离子电池的占比高达80%。
然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。“在二次电池中，锂离子电池的性能虽是最好，但锂资源的储量有限，且70%分布在南美洲，而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。
“一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构，“百花齐放”的二次电池中，替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。
不仅如此，曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标标准面临“退役”问题，2019年4 月，《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量（含电池）不高于55kg，但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。
“目前碳酸锂大概4万元/吨，如果用锂离子电池替代铅酸电池，电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2千元/吨，用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。
在胡勇胜看来，钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势，不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充，缓解锂资源短缺的问题，还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池，保证国家能源安全和社会可持续发展。
值得一提的是，钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解，2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电。胡勇胜指出：“储能是智能电网的重要环节，钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”
“此外，钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首辆钠离子电池低速电动车 胡勇胜供图
“要做用户最需要的”
近年来，国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。
实际上，在胡勇胜团队开展钠离子电池研究时，虽然钠离子电池不是热门领域，但已有其他团队在研究，但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用户最需要的钠离子电池”的目标。
“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”为此，降低电池正负极材料成本成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。实际上，目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co，但成本较高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通过不断的研究，胡勇胜团队惊喜地发现Cu在钠离子电池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，经过多年的探索，胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。
挑战接踵而至，能否降低钠离子电池负极材料成本呢？“当时，石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力；无定形硬碳是众多研究的焦点，但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研，我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨，如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑，我们立即开始实验，最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。
在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来，成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时，国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路，所以迟迟没有突破性的进展，我们没有跟随大家的脚步，而是另辟蹊径，大胆尝试，挑战别人忽视的、认为不可能的道路。”
在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后，胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势，发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性，在遇到零下40度的低温时，钠离子电池汽车还能释放80%的电量，比锂离子电池汽车更加“耐寒”。“此外，钠离子电池汽车充电速度更快，仅需20分钟，接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。
对于电池制备而言，建立完整的生产线不仅重要而且投资巨大，值得一提的是，钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线，无需重建。“不久前，我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。正因为可以直接使用锂离子电池的生产线，钠离子电池市场化的速度将更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我们也无比感激。“胡勇胜表示。
目前，胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力，产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首座百千瓦时钠离子电池储能电站 胡勇胜供图
眼前有产业 脚下有科研
实际上，胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年，胡勇胜便来到物理所攻读博士学位，师从陈立泉院士，也正是这一份师生谊改变了胡勇胜未来的职业生涯。
博士毕业后，胡勇胜先后到德国和美国进修，就在完成学业之时，陈立泉联系胡勇胜，希望他能回到物理所工作。
“我毫不犹豫地就回来了，因为我的导师和团队凝聚力。陈老师始终心系国家能源安全，从长远出发推动电动中国梦想的实现，不畏困难，敢于挑战，这种家国情怀和科研精神令我敬佩。此外，陈老师满心栽培学生，他带领下的团队有激情、有梦想、有情怀，我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道。
在当时，团队成员都为自己设定了研究方向和目标，“做用户最需要的钠离子电池，这辈子只做这一件事”正是胡勇胜为自己定的目标。
“当时国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平台和转化平台，作为科研人员，如果我们还不能做出点成绩，就真的太对不起国家，对不起老师了。”胡勇胜坦言，“实际上，我也想过可能失败，但如果大家都在观望一个领域时，它可能是机遇，如果大家都已经开始做了，可能它就不再是机会了。”
树立目标容易，将目标变成现实并非易事。付诸实践的头几年，是胡勇胜最困难也最难忘的时光。“由于国际上关于钠离子电池的研发并没有实质性进展，很多要从零开始。那些年，我们每天都在挖空心思地研究钠离子电池技术，’早晨捧着希望来，晚上带着失望归是常态，那是研发最困苦的时期，也是我最安静思考且难忘的时光，这为钠离子电池成功研发奠定了坚实的基础。”胡勇胜回忆时感慨道。
在胡勇胜看来，产业化与做科研完全不同，“基础研究强调前沿性，而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品，不能为了新而新。此外，实验室研究阶段很多问题是看不见的，而当进入工程化阶段后，要保证产品的一致性和稳定性是很有挑战的事情。”
酒香也怕巷子深，寻找投资人和合作者，为科研成果注入转化资本，是每个科研成果转化征程中的必经且不易之路。产业化初期，出差作报告、谈合作、找厂家是胡勇胜的常态，为此他幽默地说道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
在陆雅翔看来，不管再忙，胡勇胜都会“挤”时间思考电池的技术研究，跟团队探讨灵感和难点，“胡老师总有用不完的精力，即使再忙他都会利用零碎的时间阅读最新文献，关注科研最新动态，思考问题的解决方案，这种勤奋和科研热情也激励着团队。”
随着钠离子电池产品的优越性能和低廉成本逐渐被国内外所认可，胡勇胜也从最初的主动找合作，转变为越来越的合作“找上门”，产业化的“羊肠小道”逐渐走成了“康庄大道”。
十年磨一剑，今年，是胡勇胜团队深耕钠离子电池的第10年，也是中科海钠市场化的“破晓”之刻，他对未来充满了期待，期待钠离子电池走进寻常百姓家，期待钠离子电池成为守护国家能源安全的“主力军”，“但科研是产业化的基础，在带领团队产业化的同时，还必须潜心科研，为钠离子电池实现充电更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未来夯实基础。“
“高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之。“胡勇胜感慨道。
“成与不成，这辈子只干这一件事。”
当众多人聚焦锂离子电池的时候，他把目光转向了“冷门”的钠离子电池，这“一眼”就是10年，也是这“一眼”打开了钠离子电池产业化的大门。此时的胡勇胜，不仅是中国科学院物理研究所研究员，还是中科海钠的创始人。
不久前，中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产，目前电芯产能可达30万只/月。
全球首辆钠离子电池低速电动车亮相中科院物理所九十周年所庆 胡勇胜供图
从“一枝独秀”到“珠联璧合”
历经200余年的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。二十世纪九十年代，在众多二次电池中，锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。
据中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示：在全球电化学规模储能示范项目中，锂离子电池的占比高达80%。
然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。“在二次电池中，锂离子电池的性能虽是最好，但锂资源的储量有限，且70%分布在南美洲，而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。
“一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构，“百花齐放”的二次电池中，替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。
不仅如此，曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标标准面临“退役”问题，2019年4 月，《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量（含电池）不高于55kg，但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。
“目前碳酸锂大概4万元/吨，如果用锂离子电池替代铅酸电池，电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2千元/吨，用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。
在胡勇胜看来，钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势，不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充，缓解锂资源短缺的问题，还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池，保证国家能源安全和社会可持续发展。
值得一提的是，钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解，2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电。胡勇胜指出：“储能是智能电网的重要环节，钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”
“此外，钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首辆钠离子电池低速电动车 胡勇胜供图
“要做用户最需要的”
近年来，国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。
实际上，在胡勇胜团队开展钠离子电池研究时，虽然钠离子电池不是热门领域，但已有其他团队在研究，但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用户最需要的钠离子电池”的目标。
“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”为此，降低电池正负极材料成本成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。实际上，目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co，但成本较高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通过不断的研究，胡勇胜团队惊喜地发现Cu在钠离子电池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，经过多年的探索，胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。
挑战接踵而至，能否降低钠离子电池负极材料成本呢？“当时，石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力；无定形硬碳是众多研究的焦点，但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研，我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨，如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑，我们立即开始实验，最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。
在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来，成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时，国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路，所以迟迟没有突破性的进展，我们没有跟随大家的脚步，而是另辟蹊径，大胆尝试，挑战别人忽视的、认为不可能的道路。”
在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后，胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势，发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性，在遇到零下40度的低温时，钠离子电池汽车还能释放80%的电量，比锂离子电池汽车更加“耐寒”。“此外，钠离子电池汽车充电速度更快，仅需20分钟，接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。
对于电池制备而言，建立完整的生产线不仅重要而且投资巨大，值得一提的是，钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线，无需重建。“不久前，我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。正因为可以直接使用锂离子电池的生产线，钠离子电池市场化的速度将更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我们也无比感激。“胡勇胜表示。
目前，胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力，产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。
中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首座百千瓦时钠离子电池储能电站 胡勇胜供图
眼前有产业 脚下有科研
实际上，胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年，胡勇胜便来到物理所攻读博士学位，师从陈立泉院士，也正是这一份师生谊改变了胡勇胜未来的职业生涯。
博士毕业后，胡勇胜先后到德国和美国进修，就在完成学业之时，陈立泉联系胡勇胜，希望他能回到物理所工作。
“我毫不犹豫地就回来了，因为我的导师和团队凝聚力。陈老师始终心系国家能源安全，从长远出发推动电动中国梦想的实现，不畏困难，敢于挑战，这种家国情怀和科研精神令我敬佩。此外，陈老师满心栽培学生，他带领下的团队有激情、有梦想、有情怀，我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道。
在当时，团队成员都为自己设定了研究方向和目标，“做用户最需要的钠离子电池，这辈子只做这一件事”正是胡勇胜为自己定的目标。
“当时国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平台和转化平台，作为科研人员，如果我们还不能做出点成绩，就真的太对不起国家，对不起老师了。”胡勇胜坦言，“实际上，我也想过可能失败，但如果大家都在观望一个领域时，它可能是机遇，如果大家都已经开始做了，可能它就不再是机会了。”
树立目标容易，将目标变成现实并非易事。付诸实践的头几年，是胡勇胜最困难也最难忘的时光。“由于国际上关于钠离子电池的研发并没有实质性进展，很多要从零开始。那些年，我们每天都在挖空心思地研究钠离子电池技术，’早晨捧着希望来，晚上带着失望归是常态，那是研发最困苦的时期，也是我最安静思考且难忘的时光，这为钠离子电池成功研发奠定了坚实的基础。”胡勇胜回忆时感慨道。
在胡勇胜看来，产业化与做科研完全不同，“基础研究强调前沿性，而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品，不能为了新而新。此外，实验室研究阶段很多问题是看不见的，而当进入工程化阶段后，要保证产品的一致性和稳定性是很有挑战的事情。”
酒香也怕巷子深，寻找投资人和合作者，为科研成果注入转化资本，是每个科研成果转化征程中的必经且不易之路。产业化初期，出差作报告、谈合作、找厂家是胡勇胜的常态，为此他幽默地说道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
在陆雅翔看来，不管再忙，胡勇胜都会“挤”时间思考电池的技术研究，跟团队探讨灵感和难点，“胡老师总有用不完的精力，即使再忙他都会利用零碎的时间阅读最新文献，关注科研最新动态，思考问题的解决方案，这种勤奋和科研热情也激励着团队。”
随着钠离子电池产品的优越性能和低廉成本逐渐被国内外所认可，胡勇胜也从最初的主动找合作，转变为越来越的合作“找上门”，产业化的“羊肠小道”逐渐走成了“康庄大道”。
十年磨一剑，今年，是胡勇胜团队深耕钠离子电池的第10年，也是中科海钠市场化的“破晓”之刻，他对未来充满了期待，期待钠离子电池走进寻常百姓家，期待钠离子电池成为守护国家能源安全的“主力军”，“但科研是产业化的基础，在带领团队产业化的同时，还必须潜心科研，为钠离子电池实现充电更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未来夯实基础。“
“高山仰止，景行行止，虽不能至，然心向往之。“胡勇胜感慨道。
今天介绍一下博士伦半年抛的隐形，分两款，都是博士伦半年清朗系列的，一款是国产，一款是进口
第一款清朗国产半年抛，这款有非离子材料减少蛋白质沉淀，不易产生静电，含水量适中，长期佩戴没有问题，经过美国FDA认证，方便打理，性价比高
2片装 ￥120
采用先进“旋转成型+车削”工艺，不易眼干 中心厚度仅有0.035mm
清朗半年国产镜片半年更换，与视力检查周期大体吻合，视力检查与镜片更换一并进行，令视野保持清晰、舒适的状态。
第二款是博士伦清朗进口半年抛，源自美国/爱尔兰，以出众的产品特性和性价比优势，一直以来深受消费者信任。
2片装 ￥148
中心厚度仅有0.035mm，透氧通畅，让双眼深呼吸，同时镜片低含水，泪液不易挥发，长期佩戴依然温润。
清朗半年进口镜片半年更换，与视力检查周期大体吻合，视力检查与镜片更换一并进行，令视野保持清晰、舒适的状态。
#隐形眼镜##博士伦隐形眼镜#
第一款清朗国产半年抛，这款有非离子材料减少蛋白质沉淀，不易产生静电，含水量适中，长期佩戴没有问题，经过美国FDA认证，方便打理，性价比高
2片装 ￥120
采用先进“旋转成型+车削”工艺，不易眼干 中心厚度仅有0.035mm
清朗半年国产镜片半年更换，与视力检查周期大体吻合，视力检查与镜片更换一并进行，令视野保持清晰、舒适的状态。
第二款是博士伦清朗进口半年抛，源自美国/爱尔兰，以出众的产品特性和性价比优势，一直以来深受消费者信任。
2片装 ￥148
中心厚度仅有0.035mm，透氧通畅，让双眼深呼吸，同时镜片低含水，泪液不易挥发，长期佩戴依然温润。
清朗半年进口镜片半年更换，与视力检查周期大体吻合，视力检查与镜片更换一并进行，令视野保持清晰、舒适的状态。
#隐形眼镜##博士伦隐形眼镜#
中科院青岛能源所自主研制出国内外首台高通量流式拉曼分选仪
2020-08-26 14:44:51 来源: 科技日报 作者: 王健高
众所周知，作为生命活动的基本单元，单个细胞也是生物进化的基本单位。因此，单细胞技术正在推动生命起源、细胞功能异质性机制、生命暗物质挖掘与利用等领域的一系列重大突破。单细胞拉曼光谱（SCRS）能非标记、非侵入性、无损、全景式地揭示细胞代谢状态，因此基于拉曼光谱的单细胞分选（Raman-Activated Cell Sorting，RACS），在单细胞技术体系中有着广阔的应用前景。但是，拉曼谱图采集时间长、分选通量低等问题，限制了单细胞拉曼分选仪(RACS)的广泛应用。
针对解决这些关键瓶颈，中国科学院青岛能源生物与过程研究所单细胞中心发明了基于介电单细胞捕获/释放的拉曼激活液滴分选技术pDEP-RADS，并研制成功国内外首台高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。利用FlowRACS，首次示范了基于分子光谱、非标记式、单细胞精度、高通量流式的酶活筛选，为酶资源的探测和挖掘开辟了一个全新的技术路线。最新研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。
开发首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS，服务高通量酶筛选
一个微生物细胞的体积通常只有一个人体细胞的千分之一。在高速液流中，针对这么微小的细胞，如何精确捕获、采集高质量全谱拉曼并实现高通量分选，一直是业界的重点和难点。针对上述问题，青岛能源所单细胞中心王喜先、辛一、任立辉等带领的研究小组发明了“介电单细胞捕获/释放拉曼激活液滴分选技术”pDEP-RADS（Positive dielectrophoresis based Raman-activated droplet sorting；图1）。通过周期性施加介电场，确保高速流动的单细胞被精确捕获在拉曼激光位点，以允许高质量拉曼谱图的采集；进而单细胞经液滴包裹，借助介电实现目标单细胞微液滴的高通量分选。
在此关键技术突破的基础上，研究人员研制成功首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS。研究人员采用低拉曼背景石英玻璃为微流控芯片基材，以提高表型检测的普适性；以氧化铟锡（而非金属）加工电极阵列，以避免光热损伤；采用先拉曼检测后液滴包裹、液滴产生和分选同步进行的策略，避免了液滴对拉曼信号采集的影响，从而提高检测准确率并简化系统操作；最后通过自主开发的QSpec软件，实现了平台的自动化运行。
新陈代谢是一切生命活动的基础,而新陈代谢离不开酶的催化作用。因此，酶是最主要的生物资源之一，也是生物技术产业的重要载体。例如，甘油三酯（TAG）是人体、动物和植物中油脂的主要成分，它具有极高的能量存储密度，而且在几乎所有细胞中都存在，因此是自然界的“能量存储货币”。细胞中TAG生物合成的最后一步和限速步骤，是二酰基甘油酰基转移酶（DGATs）。自然界中DGATs的功能极其多样，其活性不仅调控TAG产物的合成效率，还控制着其饱和度、碳链长度等；这些理化性质决定了TAG的用途和经济价值，例如是适合做营养品还是生物燃油。因此，作为油脂分子设计的关键工具，DGATs 的挖掘和筛选具有重大的科学意义和应用价值。
但是，传统的DGATs筛选方法通常包括候选酶基因在底盘细胞中的表达、细胞扩增培养以积累足够生物质、从生物质中提取并通过薄层层析法分离TAG产物、用气相和液相质谱来分析和定量TAG中组分等繁杂步骤。这一流程通常需要一周时间，既耗时耗力，而且难以分析生长缓慢或尚难培养的细胞。业界也尝试用尼罗红等荧光染料来标记细胞中油脂，然后通过流式细胞荧光分选仪（FACS）分选细胞，但是荧光染料特异性低、难以定量分析、细胞壁对染料的通透性低或不可控、油脂饱和度无法表征等瓶颈问题仍然没有解决。
针对这些瓶颈问题，单细胞中心“另辟蹊径”，提出了利用以拉曼为代表的分子光谱来筛选酶促反应活性的新思路。利用FlowRACS，单细胞中心首次在单个微生物细胞精度，实现了二酰基甘油酰基转移酶（在人体、动物和植物中催化油脂的合成）体内活性的非标记式、高通量、高准确率、无损分选。针对来源于微拟球藻的候选DGAT基因库，仅通过为时仅10分钟的FlowRACS运行，就成功获得3个已报道的强效基因和2个从未报道过的弱效基因。而前期基于传统方法对这3个强功能基因的筛选和表征，历时长达数月时间。
与基于生物质提取和质谱分析的胞内油脂分析方法相比，FlowRACS的筛选时间、试剂耗材和人工成本仅为其百分之一，大大提高了酶的筛选效率。与FACS相比，FlowRACS不再需要针对酶的底物或产物进行荧光标记，可同时定量表征油脂含量和饱和度等多种关键的酶活指标，而且具有更高的检测灵敏度和更宽的动态范围。此外，能够荧光标记的底盘细胞很有限，而FlowRACS适用于任何细胞，这一特色对于从菌群等尚难培养微生物中直接挖掘酶和细胞工厂等生物资源来说，具有特别重要的意义。
突破国产科学仪器产业化瓶颈，推动原创高端生命科学仪器产业发展
近年来，在科研人员的努力与国家政策的支持下，我国高端科学仪器研制取得了积极的进展，但是仅仅是“追赶”和“并行”的发展方式并不能够从根本上扭转高端仪器依赖进口的现状。放眼中国各大科研院所、高校和企业研发中心的实验室，进口仪器、尤其是高端进口仪器仍然占据着数量与经费的绝对优势。一旦遭遇国外的技术封锁，我国的科学研究将遭遇无源之水、无米之炊的窘境，科技发展将面临前所未有的困局。
然而，科学仪器产业却是我国科技链条的最短板之一。全球科学仪器公司20强中，国产仪器公司无一上榜。2019年美国仪器行业巨头赛默飞、丹纳赫、安捷伦的全年收入分别达到255.4亿美元、179.1亿美元和51.6亿美元，而排名最靠前的国产仪器厂商同期营业收入仅仅为7.34亿美元。与此同时，2020年全球单细胞分析市场规模估计为26.8亿美元，预计在2019至2026年以16.9%的年复合增长率增长，国内市场规模预计35亿人民币。强大的市场需求以及市场占有率狭小的局面，对国产单细胞分析仪器的研制和产业化提出了巨大的挑战，同时也带来了前所未有的机遇。
基于pDEP-RADS技术，单细胞中心推出了国内外首台全谱分选通量达到600个细胞/分钟的高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。FlowRACS具有完全自主的知识产权，已于今年6月份完成了现场技术验收。单细胞中心长期致力于微生物单细胞技术和装备的研制和产业化，前期已经陆续研制成功并产业化临床单细胞拉曼药敏快检仪（CAST-R）、单细胞拉曼分选-测序耦合系统（RACS-Seq）、积木式单细胞微液滴快速显微分选系统（EasySort）等单细胞分析仪器系列产品。做为该仪器系列的最新成员，FlowRACS的研制成功和应用拓展，将为单细胞科学与产业提供一个全新的研究工具，并推动我国细胞科学高端仪器产业的自主创新。
上述工作由中科院青岛能源所单细胞中心马波研究员和徐健研究员主持完成。
图1单细胞中心研制的pDEP-RADS技术及仪器系统 王喜先 供图
2020-08-26 14:44:51 来源: 科技日报 作者: 王健高
众所周知，作为生命活动的基本单元，单个细胞也是生物进化的基本单位。因此，单细胞技术正在推动生命起源、细胞功能异质性机制、生命暗物质挖掘与利用等领域的一系列重大突破。单细胞拉曼光谱（SCRS）能非标记、非侵入性、无损、全景式地揭示细胞代谢状态，因此基于拉曼光谱的单细胞分选（Raman-Activated Cell Sorting，RACS），在单细胞技术体系中有着广阔的应用前景。但是，拉曼谱图采集时间长、分选通量低等问题，限制了单细胞拉曼分选仪(RACS)的广泛应用。
针对解决这些关键瓶颈，中国科学院青岛能源生物与过程研究所单细胞中心发明了基于介电单细胞捕获/释放的拉曼激活液滴分选技术pDEP-RADS，并研制成功国内外首台高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。利用FlowRACS，首次示范了基于分子光谱、非标记式、单细胞精度、高通量流式的酶活筛选，为酶资源的探测和挖掘开辟了一个全新的技术路线。最新研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。
开发首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS，服务高通量酶筛选
一个微生物细胞的体积通常只有一个人体细胞的千分之一。在高速液流中，针对这么微小的细胞，如何精确捕获、采集高质量全谱拉曼并实现高通量分选，一直是业界的重点和难点。针对上述问题，青岛能源所单细胞中心王喜先、辛一、任立辉等带领的研究小组发明了“介电单细胞捕获/释放拉曼激活液滴分选技术”pDEP-RADS（Positive dielectrophoresis based Raman-activated droplet sorting；图1）。通过周期性施加介电场，确保高速流动的单细胞被精确捕获在拉曼激光位点，以允许高质量拉曼谱图的采集；进而单细胞经液滴包裹，借助介电实现目标单细胞微液滴的高通量分选。
在此关键技术突破的基础上，研究人员研制成功首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS。研究人员采用低拉曼背景石英玻璃为微流控芯片基材，以提高表型检测的普适性；以氧化铟锡（而非金属）加工电极阵列，以避免光热损伤；采用先拉曼检测后液滴包裹、液滴产生和分选同步进行的策略，避免了液滴对拉曼信号采集的影响，从而提高检测准确率并简化系统操作；最后通过自主开发的QSpec软件，实现了平台的自动化运行。
新陈代谢是一切生命活动的基础,而新陈代谢离不开酶的催化作用。因此，酶是最主要的生物资源之一，也是生物技术产业的重要载体。例如，甘油三酯（TAG）是人体、动物和植物中油脂的主要成分，它具有极高的能量存储密度，而且在几乎所有细胞中都存在，因此是自然界的“能量存储货币”。细胞中TAG生物合成的最后一步和限速步骤，是二酰基甘油酰基转移酶（DGATs）。自然界中DGATs的功能极其多样，其活性不仅调控TAG产物的合成效率，还控制着其饱和度、碳链长度等；这些理化性质决定了TAG的用途和经济价值，例如是适合做营养品还是生物燃油。因此，作为油脂分子设计的关键工具，DGATs 的挖掘和筛选具有重大的科学意义和应用价值。
但是，传统的DGATs筛选方法通常包括候选酶基因在底盘细胞中的表达、细胞扩增培养以积累足够生物质、从生物质中提取并通过薄层层析法分离TAG产物、用气相和液相质谱来分析和定量TAG中组分等繁杂步骤。这一流程通常需要一周时间，既耗时耗力，而且难以分析生长缓慢或尚难培养的细胞。业界也尝试用尼罗红等荧光染料来标记细胞中油脂，然后通过流式细胞荧光分选仪（FACS）分选细胞，但是荧光染料特异性低、难以定量分析、细胞壁对染料的通透性低或不可控、油脂饱和度无法表征等瓶颈问题仍然没有解决。
针对这些瓶颈问题，单细胞中心“另辟蹊径”，提出了利用以拉曼为代表的分子光谱来筛选酶促反应活性的新思路。利用FlowRACS，单细胞中心首次在单个微生物细胞精度，实现了二酰基甘油酰基转移酶（在人体、动物和植物中催化油脂的合成）体内活性的非标记式、高通量、高准确率、无损分选。针对来源于微拟球藻的候选DGAT基因库，仅通过为时仅10分钟的FlowRACS运行，就成功获得3个已报道的强效基因和2个从未报道过的弱效基因。而前期基于传统方法对这3个强功能基因的筛选和表征，历时长达数月时间。
与基于生物质提取和质谱分析的胞内油脂分析方法相比，FlowRACS的筛选时间、试剂耗材和人工成本仅为其百分之一，大大提高了酶的筛选效率。与FACS相比，FlowRACS不再需要针对酶的底物或产物进行荧光标记，可同时定量表征油脂含量和饱和度等多种关键的酶活指标，而且具有更高的检测灵敏度和更宽的动态范围。此外，能够荧光标记的底盘细胞很有限，而FlowRACS适用于任何细胞，这一特色对于从菌群等尚难培养微生物中直接挖掘酶和细胞工厂等生物资源来说，具有特别重要的意义。
突破国产科学仪器产业化瓶颈，推动原创高端生命科学仪器产业发展
近年来，在科研人员的努力与国家政策的支持下，我国高端科学仪器研制取得了积极的进展，但是仅仅是“追赶”和“并行”的发展方式并不能够从根本上扭转高端仪器依赖进口的现状。放眼中国各大科研院所、高校和企业研发中心的实验室，进口仪器、尤其是高端进口仪器仍然占据着数量与经费的绝对优势。一旦遭遇国外的技术封锁，我国的科学研究将遭遇无源之水、无米之炊的窘境，科技发展将面临前所未有的困局。
然而，科学仪器产业却是我国科技链条的最短板之一。全球科学仪器公司20强中，国产仪器公司无一上榜。2019年美国仪器行业巨头赛默飞、丹纳赫、安捷伦的全年收入分别达到255.4亿美元、179.1亿美元和51.6亿美元，而排名最靠前的国产仪器厂商同期营业收入仅仅为7.34亿美元。与此同时，2020年全球单细胞分析市场规模估计为26.8亿美元，预计在2019至2026年以16.9%的年复合增长率增长，国内市场规模预计35亿人民币。强大的市场需求以及市场占有率狭小的局面，对国产单细胞分析仪器的研制和产业化提出了巨大的挑战，同时也带来了前所未有的机遇。
基于pDEP-RADS技术，单细胞中心推出了国内外首台全谱分选通量达到600个细胞/分钟的高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。FlowRACS具有完全自主的知识产权，已于今年6月份完成了现场技术验收。单细胞中心长期致力于微生物单细胞技术和装备的研制和产业化，前期已经陆续研制成功并产业化临床单细胞拉曼药敏快检仪（CAST-R）、单细胞拉曼分选-测序耦合系统（RACS-Seq）、积木式单细胞微液滴快速显微分选系统（EasySort）等单细胞分析仪器系列产品。做为该仪器系列的最新成员，FlowRACS的研制成功和应用拓展，将为单细胞科学与产业提供一个全新的研究工具，并推动我国细胞科学高端仪器产业的自主创新。
上述工作由中科院青岛能源所单细胞中心马波研究员和徐健研究员主持完成。
图1单细胞中心研制的pDEP-RADS技术及仪器系统 王喜先 供图
✋热门推荐