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【为创造伟力作出贡献】西安交大博士生 在 Nature 子刊、Science 子刊连续发表研究成果

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光流体技术是一种融合了微纳米光学和微流体技术的新型学科,因此具有两种学科共同的优点。在生物化学检测,新能源开发,微纳米颗粒和生物细胞的操控等领域具有广泛的应用。而光照射在颗粒和细胞上,由于它们对光的散射和吸收,会产生光学力的作用,包括光的推动力(消逝力)和吸引力(梯度力)等。通过在光流体芯片的微通道中引入特殊的光场,例如,类贝塞尔光和离散的衍射条纹等,利用光场产生的光学力和流体产生的力的共同作用,则可以实现对颗粒的精确操控,包括捕获、分离和跳跃等现象。

近日,西安交通大学机械工程学院博士生施宇智在国际顶级期刊 Nature 子刊 Nature Communications Science 子刊 ScienceAdvances 连续发表2篇学术论文,论述了其在光流体操控生物分子和纳米颗粒领域所取得的进展。两篇论文均以西安交通大学为第一作者单位。施宇智是2008年9月进入机硕班的本科生,2012年9月进入硕士阶段,2013年9硕博连读转入博士阶段学习。该研究成果是由施宇智在西安交大机械工程学院博士生导师陈天宁教授、吴九汇教授以及新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院刘爱群教授共同指导完成的。

题为“Sculpting nanoparticle dynamics for singlebacteria-level screening and direct bindingefficiency measurement”的论文发表在 Nature Communications [2018,9(1):815],报道了一种新型的能够在光流体晶格中精确操控颗粒跳跃以及对抗体抗原进行删选和测量其结合强度的技术。该技术具有三大独特的创新点。第一,首次研究了三种在光学势丼中由颗粒相互作用所引起的跳跃机制。以往科学家所研究的在光学势丼中的跳跃现象都是单颗粒、或两个或多个不接触的颗粒的耦合引起的。该研究对于拓展多个颗粒在光学势丼中的动力学运动具有深远的意义。第二,通过精确控制光学力和流体力,首次实现颗粒在微通道中任意位置的跳跃,并构建了一个颗粒在光流体晶格中的跳跃回路。这对于在光流体系统中精确操控颗粒具有很大的意义。第三,利用颗粒的跳跃原理,首次提出了一种在单细胞尺度对抗体进行删选,以及测量抗体抗原结合强度的方法。该方法将传统的抗体删选或测量方法例如免疫酶联试验(ELISA)和荧光激活细胞分选器(FACS)等提高到单细胞尺度,对于极小样品用量的疾病的检测和单细胞精密医学等具有深远的意义。该论文被 Nature 子刊Nature Review Materials 以“Optofluidics: You never hop alone”(https://www.nature.com/articles/natrevmats201811)为题作了专题报道。

另一篇题为“Nanometer-precision linear sorting with synchronized optofluidic dual barriers”的论文发表在 Science Advances [2018.4(1)],介绍了利用新型光镊系统达到具有纳米精度地分离纳米颗粒和生物分子的技术。传统的光镊技术采用光弹簧系数大于10-8N/m的光束来构建光学势丼,利用势丼中的光学梯度力和散射力来捕获纳米颗粒。而作者在文章首次探索了以往科学家所忽视的松散的过阻尼系统(光弹簧系数10-10-10-8N/m),研究了半径小于50纳米的金颗粒在系统中的独特的微米级的震荡现象,而传统系统中的颗粒震荡范围在几十到几百纳米之间。并且利用该系统在世界上首次在微流道中成功地将半径30到50纳米的金颗粒、半径100到150纳米的聚苯乙烯颗粒,以及大肠杆菌和孢子虫等线性地捕获和分离。该技术在研究颗粒在光流体系统中的动力学特性,以及在精密分离和删选纳米生物分子例如病毒,DNA等方面具有广阔的应用前景。

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03156-5

http://advances.sciencemag.org/content/4/1/eaao0773

【延伸阅读】

长期以来,西安交通大学机械工程学院非常重视拔尖人才培养工作,积极探索实施提高博士生培养质量的综合改革工作,构建了涵盖选拔、培养、评价的全方位博士生拔尖人才培养新模式,提出了与企业、国内外专家联合培养本硕博贯通式应用型装备制造业领军人才培养计划,并首次提出了“把论文写在产品上”的理念。设立了机械工程学院优秀博士论文培育基金,鼓励优秀博士生继续安心于科学研究,力争在学位论文研究方向上取得突破性进展,产出高水平科研成果;支持并资助博士生参加在国外举行的大型高水平国际学术会议。近年来机械工程学院的多篇博士学位论文荣获“陕西省优秀博士学位论文奖”和“上银优秀机械博士论文奖”。

机械工程学院将2018年确定为研究生年。目前,正在全力推进机械工程学位点国际评估和学位点自评估工作,落实建设“双一流”大学的硕博贯通培养方案。后期将举办全国“机械工程青年精英春季论坛”和全国“机械工程学科研究生培养工作会议”等等,通过举办系列学术交流活动,助推机械工程学院拔尖创新人才培养工作的跨越式发展。

2018-03-19
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