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史建国:生物传感器的“中国梦”
——记山东省科学院生物研究所所长、山东省生物传感器重点实验室主任史建国

作者:孙欣欣  来源:科学中国人  发布时间:2019-09-20

导读:  作为山东省生物传感器重点实验室主任,史建国积极带领生物传感器团队开展技术创新和成果转化工作。充分发挥生物传感器的优势基础,不断开拓工业过程检测技术领域,为我国生物技术产业的科技进步提供了先进的技术支撑。

  在史建国的设想中,由国内顶尖科研力量和行业巨头共同成立的创新中心,将担起核心器件和元件等问题的集中攻关任务,这一机制若能运转良好,中国的生物传感器将在未来5到8年,迎来一个技术的爆发期,国际市场占有率或将提高一倍以上。
  
  2015年7月,史建国组织了由山东省科学院与中国科学院沈阳分院共同举办的“生物传感器技术及产业发展论坛”,探讨生物传感器技术研究和产业发展的现状和存在问题,明确生物传感器技术及产业发展方向,强调要加快推进生物传感器产业化进程。2017年9月,史建国作为大会嘉宾参加了工业和信息化部组织的“名家芯思维”之“2017年生物传感器产业化国际研讨会”,并主持了生物传感技术对话交流活动,共同探讨我国生物传感器产业化关键技术及存在问题。2017年10月,“首届全国生物传感、生物芯片及纳米生物技术高端论坛”在佛山中欧中心召开,史建国作为大会嘉宾接受了《南方日报》专题采访,提出要组建协同创兴体系,建设生物传感产业基地。2018年6月中旬,由山东省科学院生物研究所牵头,联合中国科学院5个研究所、北京大学、清华大学、上海交通大学等12所高校的科研机构,以及华大基因等6家企业在内的25家传感器行业“巨头”,组建了中国生物传感器制造创新中心。这一创新中心,将瞄准生物传感器领域的关键前沿难题,进行交叉学科的“抱团”攻关,打造国家级的中试平台。2019年5月,史建国作为大会主席之一,在济南组织召开了“第二届全国生物传感、生物芯片与纳米生物技术高端论坛(BBN China 2019)”,再次提出建设协同传感创新中心和中试平台的建议,得到与会专家的广泛认同。
  作为创新中心的组织者和发起人之一,山东省科学院生物研究所所长,山东省生物传感器重点实验室主任史建国认为,只有“抱团”,才能让中国生物传感器的发展迅速追赶甚至超越西方国家。
  “在未来的5到8年时间,争取让中国的生物传感器国际市场占有率从10%提高到20%,未来,我们的目标是50%。”史建国谈到未来时,掷地有声。
  这不会是一句随便喊喊的口号,也不能是。
  在过去的30年里,史建国致力于生物传感器的技术研发。在他带领下,山东省生物传感器重点实验室起草制定了我国第一个葡萄糖生物传感器国家标准,先后研制出的葡萄糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器,不仅建立了生物传感器在工业环境下运行的实验方法、操作规程、配套试剂及培训服务体系,还彻底打破了国外技术垄断。为我国生物传感器技术及产业化发展做出了突出贡献。
  如今,解决领域关键核心技术难题与建立中试平台,已经成为史建国两个最为重要的使命。
  
从起步到国际首创
  “只要滴一滴汗,就可以测量人体10几项的健康指标。”在解释生物传感器究竟为何物时,史建国用这样的一句话形象地描述了它的神奇。他已经不记得多少次向来访者科普生物传感器在现代科学体系中的“妙用”了。
  “生物传感器充当着一个接收器和转换器的角色,科学家们提取出动植物发挥感知作用的活性材料,比如生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体等,再将这些生物元件感受到的持续有规律的信息转换为人们可以理解的信息,通过光学、压电、电化学、温度、电磁等数据信息展示出来,为我们的科研和生产生活提供决策依据。”
  国际上,生物传感器起源于一种被称之为“隔离式氧电极”的检测方法,由美国教授Clark于1956年首次提出,1962年证实了葡萄糖氧化酶(GOD)与氧电极结合进行葡萄糖测定的可行性,第一代生物传感器应运而生。从20世纪70年代中期至整个80年代,生物技术、生物电子学和微电子学不断渗透、融合,使生物传感器理论和方法不断扩展,形成了生物传感器学科领域。1990 年,首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开,标志着生物传感器已形成一个新兴的科学技术领域。
  1979年,下乡插队当了两年“知青”的史建国考上了大学,是典型的新三届大学生。1988年研究生毕业后,他来到山东省科学院,从事药物研究工作。
  彼时,中国的生物传感器领域的研究,才刚刚起步。史建国清晰记得,那时正值北京亚运会前夕,运动员经常要用到一种叫作“血乳酸分析仪”的仪器,而在当时,这一仪器只能向美国进口,且价格高昂,仪器的关键部件就是固定化酶生物传感器。“对于当时的中国来说,这就是典型缺乏自主研发实力的关键技术。”史建国说。
  为了突破这一核心技术,山东省科学院集中当时的科研力量进行攻关。史建国也被调到了生物化学研究室,对生物传感器技术进行攻坚克难。史建国大学学的是生物学,研究生研究的是细胞生物,刚到山东省科学院时,他从事抗生素的研究。转到生化研究室后,为了尽快适应新的领域,他每天阅读大量的资料,一边学习,一边完成研究室给他交代的工作。
  史建国是个典型的“工作狂人”,工作和闲暇时间,几乎都在实验室里泡着,心里无时无刻不想着工作。如果实验中有问题当天没解决,他就会睡不着。有时候半夜三四点醒来,突然就有了设计方案的想法和思路,为了保证第二天不会忘记,他都要拿纸笔记下来,才能安心地去休息。他说,自己的这些习惯,深受许多老院士们的影响。
  1995年,年仅35岁的史建国成为生化研究室副主任。4年后,生化实验室正式改名为生物传感器重点实验室。由于在生物传感器研发和推广中的成绩,史建国彼时已被调去负责整个研究所的推广工作。2007年,史建国回到生物传感器重点实验室担任主任。
  尽管史建国曾离开生物传感器重点实验室近10年,但一直与实验室保持着紧密的联系,也从未停止他在生物传感器研发中的创新。
  在过去30多年里,史建国参与或主持了多项国家和省市级科研项目,开创了SBA和SGD系列分析仪器产品,在我国食品、发酵、医药、化工、环保、科研和教学等多个领域广泛应用,获得国家、省部及各类科技奖励20余项。其中,SBA生物传感器获得国家技术发明奖三等奖,SGD还原糖测定系统为国际首创,起草制定了我国第一个葡萄糖生物传感器国家标准,这也是我国目前唯一实现工业生物传感器产业化应用的科技成果。
  
从工业应用到在线检测
  在过去多年的研究中,山东省科学院生物传感器重点实验室主要从事工业领域的生物传感器研究和应用工作,是我国唯一实现生物传感器产业化应用的科研单位。产品占国内食品发酵市场95%以上(其余5%为进口产品),打破了国外技术封锁。
  作为山东省生物传感器重点实验室主任,史建国积极带领生物传感器团队开展技术创新和成果转化工作。充分发挥生物传感器的优势基础,不断开拓工业过程检测技术领域,解决了生物过程生化参数检测与优化控制的技术瓶颈,取得了系列自主知识产权,打破了国外技术垄断,获多项省部级科技成果奖励,为我国生物技术产业的科技进步提供了先进的技术支撑。5年来,通过科技服务生物传感器团队直接创收累计达3000多万元,产生了显著的经济效益和社会效益。继续保持了在工业生物传感器研究和应用方面的国内领先地位,为我国生物传感器技术及产业发展做出了突出贡献。
  生物传感器是一个内容广泛、多学科介入和交叉的研究领域。“既需要懂生物学,也要会分析化学材料,既要有机械加工电子器械的研究人员,也要有懂控制软件设计和编程的人才。”山东省科学院生物传感器重点实验室之所以能够始终占据中国生物传感器研究及应用领军地位,正是因为其是一支多学科交叉的研究团队。
  史建国表示,山东省科学院生物研究所是偏向于应用的科研机构,科研成果既注重高精尖,也注重“接地气”,在“论文导向”方面相对超脱。
  在史建国看来,面向中国的工业发展,实验室能做的还有更多。未来他将带领团队在环境、食品安全、医疗,以及可穿戴式生物传感器领域,加快生物传感器的技术转化。
  不仅如此,以前研发的生物仪器都是离线的,需要人工把样品从车间拿到化验池去。而现在,他要将生物传感器搞成在线的系统,这意味着,在未来的生产车间,产品检测可以与生物传感器直接结合,通过人工智能自动取样。
  “现代工业体系需要很多传感器,物理传感器、化学传感器和生物传感器。如果没有传感器,许多工业的自动化和智能化就无法实现。”
  如今,史建国正带领团队,将生物传感器往在线检测、原位检测、自动检测的方向发展,把物理和化学的传感器进行信息技术集成,通过大数据平台做分析,最终形成自动检测、智能分析、智能控制的传感体系。
  而今,这一平台性项目的建设已经卓有成效。
  
牵头组建协同创新体系
  尽管山东省科学院在生物传感器的产业应用中已经有了初步的探索和突破,然而不可否认的一个事实是,中国生物传感器在产业化发展上远远落后于美国和北欧国家。
  对此,史建国有着深刻的体会,“一直以来,中国在生物传感核心器件的制造上仍相差甚远,许多都是靠我们手工做出来的。”史建国形容,这就像烤比萨、做馅饼一样,做完以后发表论文,感觉“很好吃”,但是里边的成分、组合的排列等都没有数据,全部靠手工摸索,下次再做就不一定能重复制造出来。
  在生物传感器的产业化应用上,史建国举了一个让人捶胸顿足的例子。
  20世纪90年代,中国科学院某研究所研发出了国际第一个SPR表面等离子体共振传感器,申请了专利后交给一个仪器厂生产,生产出的仪器非常大,并且一直无法保证传感器的稳定性。后来,这个专利被辗转卖到了国外厂家,多年过去,该国外厂家的产品在SPR传感器领域成了国际“老大”,每年从中国获利上百亿元。
  虽然SPR分析仪最早是中国人研制出来的,但我们企业受限于诸多因素,无法做出好的产品。我国为数众多的生物传感器研究机构也都面临着深入研究稳定的生物传感器,并把它们在实践中应用的困境。
  尽管经过这么多年的努力,中国的生物传感器发展已经有了很多优势,不仅有着国际上最多的生物传感器研发团队,实验室遍布各大科研院所和大学,不亚于美国、澳大利亚、英国等西方国家,科研条件国际一流,而且中国在生物传感器领域发表的高水平论文,如今也处于国际前列。
  然而,论文的高质量却掩盖不了制造水平的差距。史建国说,在核心器件与核心元件上,中国的生物传感器发展仍存在着严重的掣肘问题。“在传感核心器件的制造水平上,我们还差得非常远,这是我们的短板。生物元件如酶、蛋白、核酸等,我们还是要大量依靠进口。虽然国内也有企业能够生产,但是性能却不能和国外的产品相提并论。”
  制造水平的差距,折射的仍然是中国的生物传感器研究上相关学科无法有效融合、体制机制上各家科研工作自成体系的历史性难题。“就像不能握成拳头的五指,分散了力量。”史建国说,早在20年前,这一问题就已经被院士专家们关注,呼吁要加强交叉学科的协调,但却收效甚微。
  幸运的是,中国生物传感器研发中交叉学科协调难的问题,终于迎来了一个历史性的拐点,中国生物传感器制造创新中心在史建国的呼吁下终于成立。
  史建国说,如果能够利用好创新中心的资源,20年后,中国就有希望能够和美国在国际市场上打个平手。如果想要超越,仍任重而道远。
  
未来梦想:搭建国家级平台
  作为一个科研人,史建国始终秉承着“不忘初心,牢记使命”的理念。初心就是做科学研究,使命就是服务社会经济发展。做科研不仅需要发论文写专利,更重要的是要把论文专利“写”在祖国大地上,只有这样才能实现个人价值、家庭价值、社会价值。既要在学术上有地位、有水平,也要在应用领域把所学的知识紧密结合生产实际,围绕国际前沿、国家发展战略和社会重大需求。
  在生物传感器领域浸润了近30年,史建国如此形容生物传感器的重要性:它是人工智能的核心、智能化交互的必备;它像理智的研究者一样敏锐地体察并反馈人类的方方面面,它与化学传感器技术、物理传感器技术构成新时代信息技术的“三驾马车”。
  在未来新世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
  大力发展生物传感产业,掌握核心技术,才能立于不败之地。创新中心的成立,瞄准的是生物传感器领域的关键前沿难题,在交叉学科的融合中,实现关键技术的攻关。而在史建国的长远计划中,中国传感器的发展,还必须打造一个国家级的中试平台。如今,这一平台的建设已经提上日程。
  “中试平台可以面向整个国家整体提供生物传感器领域的支撑服务,这是我未来要做的重要项目,目前国内还没有。”
  史建国告诉本刊记者,如今国内的上海交通大学、华南理工大学等生物传感器研究室中,正在做生物元件的研发,而他也在联合国内外有关生物器件制造的专家团队,逐渐尝试搭建起这一国家级的中试平台。
  “这一项目仍在进行前期准备,仍缺乏设计理论、设计工艺和专用设备。但是经过长时间的论证,已经有了初步的方案,并得到了很多院士和专家的支持。”    
  史建国说,中试平台不仅可以满足产品正式投产前的小规模试验,也可以生产出生物传感的核心器件,在国际市场具有竞争力。
  让他欣慰的是,国内的纳米技术和微细加工技术,已经有了与强国一拼的实力,对于中试平台的搭建,将起到关键作用。与此同时,经过多年积累,一大批青年科研人才正在成长起来,他们或将接棒,推动中试平台的建设。
  古语有云:“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”生物传感产业的发展亦是如此。
  “我现在最大的愿望,就是能够解决生物传感器制造的短板,解决关键核心问题。更长远的计划,就是要建成中试平台,大力发展生物传感产业,让中国的科研成果可以在这平台上进行放大。”史建国说。科
  
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