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传感领域的“跨界”英雄

来源:  发布时间:2016-03-15

  
本刊记者 王 军
  
  人类在与癌症对阵的痛楚时刻,常会尴尬地意识到,现代文明尚未走上终极巅峰。变化多端的癌细胞,像极了柯南道尔笔下的“犯罪国王”莫里亚蒂,神秘、危险、不遵常理。在波谲云诡的生死迷局中,还没有人敢自恃为它的克星。
  事实上,大部分癌症患者在确诊时就已错过了治疗的最佳时机,假如早期诊断系统可以像夏洛克·福尔摩斯一样洞悉一切、将危机预警提前一年或者更长的时间,那就等同于为患者争取到了一线生机。
  造就这个“传奇”的不是某位知名医师,而是世界著名化学生物传感器专家、俄罗斯工程院外籍院士, 北京科技大学化学与生物工程学院院长张学记。
  
“执拗”的“大牛”
  
  在北科大,为人谦和的张学记教授仍然被称为“大牛”。学生们常说:“听听张教授的‘牛人牛事’比吃饭更有营养。”
  确实,他的科研履历精彩至极——早在1994年读博时,他研发的纳米传感器就获“中国大学生应用科技发明大奖赛”特等奖;自1989年投身生物化学传感器件研发至今,已开发出30余种相关产品,被全球100多个国家广泛使用,创造近亿元的经济效益;留学美国期间,开发的微型化自由基电化学检测系统,运用在航天飞机和宇宙空间站,获得了世界认可;由于成就卓越,他被聘为美国世界精密仪器公司高级副总裁,首席科学家, 成为该公司近50年来聘任的首位外籍高级副总裁;迄今为止,他已在《美国化学会志》《分析化学》等国际一流学术刊物上发表论文300余篇,出版中英文研究专著7部,申请/获批专利45项。
  不过,让更多人对他印象深刻的是他的“执拗”。
  在国外的15年间,所在公司和身边的朋友多次建议张学记加入美国国籍,“淘金族”梦寐以求的美国护照触手可得,他却不为所动;2009年,正值事业蓬勃向上的“黄金期”,他第一时间作出反应——放弃优厚的工作待遇和优美的生活环境,回国。
  旁人眼中的意外,对他而言是再自然不过的选择:“科学是没有国界的,但科学家有自己的祖国。从小学念到博士,整个教育阶段我几乎没有花家里的钱,所以总觉得欠祖国和人民的一份情,希望能用自己学到的知识回报祖国和人民。出国时我就没想永久留在国外,在我内心深处,也从未改变过报效祖国的愿望。我们的先贤也曾经讲过,为天地立心,为生民立命,为往圣继绝学,为万世开太平。作为新一代的知识分子,我们更应该有这份责任,这样一份情怀, 为祖国的繁荣和富强做出自己的一份贡献。”
  
如果癌症预警可以提前18个月
  
  2009年10月,张学记进入北京科技大学工作,着手组建生物工程与传感技术研究中心。进校第一天,他就给自己定下了目标:抓科研、带学生,致力于把科研成果产业化,这也正是中国科技版图的命脉部分。
  摆在眼前的第一个命题就是,选准方向。留美期间,张学记接触的多为精密仪器、传感器件、新材料领域,但基于知识产权和保密制度,回国后一切都要重新开始。发自那一片“为万世开太平”的初心,他将科研方向瞄准了生物医学工程,尤其是病魔之王——癌症的早期检测。
  是的,这片领域是与死神和魔鬼抗争的世界。近年来,全球平均每8个死亡病例中就有1人死于癌症,比艾滋病、结核病和疟疾导致的死亡人数总和还要高。在我国,恶性肿瘤俨然成为了威胁国人健康的最大杀手,数据显示,近年来全国每10万人中就差不多有285个人发病,每年新发肿瘤病例约312万例,平均每天新增肿瘤病患8550人,也就是说,每10秒钟,中国大地上就有1个人被诊断为恶性肿瘤。张学记向记者介绍道:“我国癌症的发病率和死亡率都超过了世界平均水平,大量临床数据显示,大部分的肿瘤患者在目前的影像学检查确诊时,已丧失了治疗的最佳时机。更为严峻的是,其中一些疾病,如乳腺癌、颅内肿瘤等的发病率还在呈现逐年上升态势。在这种背景下,防患于未然就显得尤为关键了。”
  作为一种进行性发展疾病,恶性肿瘤的某些重度癌前病变可以维持相当长的时间,预防得当就有可能阻滞、延缓肿瘤的发生。举例来说,按照目前的医疗水平,早期胃癌患者治疗5年,生存率可超过80%,而对晚期患者,治疗5年,生存率仍低于10%。然而,目前的现实状况是,临床医学上所采用的各种检测手段很难满足肿瘤的早期诊断需求。
  张学记一直致力于应用化学、材料、生物技术等不同的研究手段和方法,对生物体系或环境体系中的微量、痕量分子信号直接的相互作用与动态联系进行捕捉和信号转换,进而获得高灵敏的定量分析结果,在他看来,在看似神秘的生命图谱中,大多数疾病都是有迹可循的。
  基于传感技术的癌症早期诊断系统由此立项,目前已经得到了国家药监局的临床实验许可,进行了3万多次的临床试验。这个系统可以在肿瘤形成之前提前18个月进行早期预警,毋容置疑,一旦它应用于临床,将成为世界医学领域的重大突破。为了更好地进行临床实验,经上级批准, 张学记兼任301医院临床生化部副主任。
  造就癌症预警领域的“神探夏洛克”当然不是一蹴而就的。除了扎实的专业功底、卓越的研究团队,张学记更视“创新”为科研的灵魂。他常说:“创新有两个重要因素,一是兴趣,二是有需求,正所谓兴趣驱动,需求牵引。”这项由需求牵引的成果,借助纳米技术和微加工技术,结合酶催化放大、纳米技术放大、现代生物放大技术等检测信号增强策略,建立了新型生物传感与成像检测体系,综合应用了电化学传感、固体纳米通道、多模成像分析、光学生物传感、光电化学传感、质谱成像技术及微透析技术等多种手段。其中,生物传感与成像新策略构筑了新型生物传感界面,设计出具有高稳定性、可控性和高选择性的分子识别与信号提取及放大体系,发展了高灵敏性、高选择性、时空分辨的传感与成像技术。这在建立具有自主产权和原创性的分子诊断平台等方面均显示出独特的优越性,为乳腺癌等重大疾病的分子机制研究及早期诊断提供分子基础和关键技术。
  
用5年时间打造精英团队
  
  北科大生物工程与传感技术研究中心并不大,不足600平米。不过,从建立第一天开始,“顶天立地”的四字方针一直说得底气十足。顶天,就是要做一流的研究,出一流的研究成果,出一流的人才; 立地,就是要把研究成果产业化,商业化,应用于实际,应用于社会。
  中心筹建过程中,张学记遇到过很多棘手的问题——人员少、资金短缺、实验场地不足,创业不可谓不艰辛。即使有各级领导和学校的大力支持,实验室从无到有、从小到大,也都必须做到事无巨细、样样关心。
  为了打造一流的科研团队,他从海内外多所著名院校引进了多名化学、生物、医学、计算机专业的科研人员,还依靠北科大材料、化学、生物等实力雄厚的重点学科,以学科交叉、融合为思路,着力搭建一流的学术研究平台。他说:“要想成为一流的大学,一流的企业,一流的国家,最重要的是要有一流的人才。一流的设备可以买,一流的大楼可以造,但离开一流人才去使用和管理,就都是空谈。”
  与吸纳人才相比,培养人才更加耗费心神。“我发现很多研究生都不敢去创新,因为博士生毕业有在核心期刊发3篇论文的硬指标,而实际上有时侯做一个真正的创新性的研究需要5年或更长时间。如果真去做原始创新,许多学生恐怕都毕不了业。对老师的考评亦是如此,新老师过一两年就要考核,达不到要求就不会续聘,因此很多人只有做一些边边角角的修补或跟踪性研究。”
  为了重建大家的科研习惯、培养团队的国际视野,中心陆续建立了定期研讨会和学术汇报制度,并大力搭建国际交流平台。他邀请多名国际著名科学家, 发达国家科学院院士, 包括诺贝尔奖评委, 诺贝尔奖候选人担任北京科技大学名誉教授;同时接受多批美国、加拿大、欧洲的博士生、硕士生、本科生到北科大合作交流和访问。除此之外,他还先后选派多名教师和研究生前往美国加州大学伯克利分校、加州大学圣地亚哥分校、日本东京大学、日本京都大学、弗吉尼亚大学、欧洲大学及研究所学习交流。
  为了引导更多有创新思维的年轻人入门,中心同时为本科生聘请了加拿大大学和美国大学教授为夏季小学期授课专家,张学记本人也在百忙之中专门为本科生开设了课程。他在课堂上说:“自由创新、善于发现、科学思维,要在科学研究道路上越走越远,勤奋才是真正的智慧。”据说,这门课程几乎无人缺课,有讲座时更是连过道上也站满了人。最让学生们佩服的是,他能把枯燥的生物化学传感、自由基化学分析等课程,讲得像故事一样吸引人。
  经过5年来的悉心耕耘,如今中心已经发展成为一个以纳米生物传感技术、生物能源、生物医药和产业化研究推广为主要研究方向的前沿基础研究基地、人才培养基地和技术创新基地。目前拥有教授4人、副教授4人、讲师2人、教师博士后2人、在校硕士研究生30多人、博士研究生20多人。
  研究团队以发展传感技术为特色,目前已扎根生物分析化学及生物传感器件等研究领域,以分子识别为基础,从生物传感界面构建、传感信号放大机制以及传感基础理论等三个方面入手,在生物功能材料的有序组装、仿生微纳界面、生物传感与功能器件的构建等诸多领域做出了一系列有意义的工作。相关成果被发表在Chem Rev.,JACS,Angwe. Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,Anal. Chem.,Chem. Commun.,Bioelectrc.Biosen.等知名学术刊物上。5年来,中心有一位教师破格晋升,成为北京科技大学最年轻的正教授, 还有多位教师入选教育部、北京市的人才资助计划。
  在张学记的主持下,中心与日本东京大学、美国哈佛大学、加州大学、南佛罗里达大学、瑞士联邦理工、瑞典大学、斯洛文尼亚国立化学研究所等10余所国外大学、研究机构及多家国内外企业建立了合作关系,承担国家自然科学基金课题10余项,其他各类基金课题几十项,并且取得多项突破性成果,比如:在复合纳米结构材料探针的组装、化学传感机制和高灵敏传感技术方面发展了一系列性能优异的生物传感器;在仿生纳米材料制备和仿生生物界面构建等多方面取得了多项创新性成果;受鼻粘膜中分形结构的启发,实现对凝血酶的快速灵敏检测,发展了高灵敏肿瘤标志物检测技术;在纳米传感界面的构建基础之上,发展了一系列高效生物分子探针的设计策略;以电化学技术和荧光技术为手段,建立一系列可以快速、方便和灵敏检测核酸片段的新方法;通过集细胞转染和胞内分子高效识别多功能纳米探针的组装,实现了肿瘤细胞内某种特定分子细胞成像的检测。功夫不负有心人,在团队上下的共同努力下,2013年,生物工程与传感技术研究中心被评为北京市重点实验室。
  
未来的任务是成果孵化
  
  在搭建团队的同时,张学记身先士卒,承担了多项国家级科研项目。国家自然科学基金委基础仪器专项项目“新型高分辨扫描电化学显微镜的研制”,国家自然科学基金委面上项目“纳微一氧化氮电化学传感器及其用于卵母细胞受精过程中一氧化氮的原位时空分析”“急性早幼粒细胞白血病microRNA分析及新型纳米探针的研究”,科技部、教育部科研项目及北京市科委“生物工程与传感技术北京市重点实验室2013年度科技创新基地培育与发展工程专项项目”等,取得了丰硕的研究成果。
  其中,在免疫分析、纳米生物传感、细胞分析化学和临床分子诊断以及微流控分析等方面,他创新性地提出溶胶、凝胶气相沉积法和4种多分析物免疫检测的分辨新概念,构建了一系列免疫分析新原理;研制成多种原创性的纳米生物传感器;建立了极高灵敏度的PCR-电化学检测方法;开辟了纳米量子点电化学传感新领域。纳米生物传感器与生物芯片、纳米材料与生物分子相互作用、生物电化学与生物光谱等研究工作;致力于发展高灵敏度、高特异性、廉价、快速、便携的集成化生物传感器与生物芯片;通过生物分子与无机纳米材料之间的相互作用与调控,发展新一代生物检测技术。
  其次,在微纳型化生物医学工程技术领域,进行了微流控芯片分析器件的构建、纳米医学智能化药物载体、纳米驻极体器件的分析研究。其中微流控芯片个性化医疗抗肿瘤药物筛选平台可以实现四大效果:一是在一块平方厘米见方的微芯片上对多种细胞的图案化培养和药物处理,每一块图案化细胞仅有10个细胞左右。二是在药物处理之后的给定时间点对细胞进行凋亡染色的图像结果分析,能够对多种给药条件进行结果分析。三是在图像分析之后能够将单个细胞团块进行基因表达的分析研究,从而发现细胞产生耐药性的机理。四是在该平台能够完成从细胞高通量培养到细胞全基因表达谱的分析,从而完成“从图像到基因”的药物完全筛选分析平台的构建。纳米图案化与驻极体器件是非传统微纳米图案化技术的开发及其在生物、化学传感及能源器件上的应用,基于驻极体材料的自组装和聚合物刷的制备与应用。
  同时,张学记还致力于开发智能化传感界面构建技术与方法,主要包括仿生界面的构建与应用及表面增强拉曼界面的构建与高效的检测分析。以生物传感应用为导向,合成多种生物纳米材料,将生物传感与纳米技术相结合,通过纳米组装与分子识别作用,开发多种原创性的纳米生物传感器。例如针对目前水下超疏油薄膜机械强度差等问题,受自然界中贝壳珍珠层的启发,基于天然粘土和聚电解质制备了仿珍珠层薄膜,该薄膜表现出优异力学性能、良好的水下超疏油性质和优异的环境稳定性。
  此外,随着信息化时代的来临,生物识别技术作为信息安全和个人身份识别技术越来越受到人们的重视,已成为国际上身份鉴别领域的研究热点,其中指纹识别技术是最成熟、准确、价格低廉和容易使用的。为了探索基于电化学原理的指纹传感技术中的实验和理论应用基础研究,他建立和发展“电化学指纹传感器”的新概念和新方法,解决现有光学或半导体指纹传感技术对如纸币、纺织物、皮肤以及复杂彩色背景材料等表面的指纹不能传感或传感质量差的问题,张教授着眼于新材料、新传感技术在法医学证据采集方面的拓展,如潜指纹显现及图像采集技术。最近, 张学记又将研究向第二代生物识别技术——指静脉生物识别及DNA生物识别推进。
  不难看出,与癌症早期诊断系统一样,张学记关注的每一个项目,都更重视研究成果的产业化。他说:“创新包括原始创新、基础应用研究、产业化商业化等多个环节,要让成果转化必须要专业的转化平台和孵化器,需要既懂科技又懂管理的复合型人才。”利用我国资源优势和市场优势“产学研”结合,加速度开展化学生物传感器及其测量系统的市场化探索,是他给自己设置的主要课题之一。为此,2015年,在中央有关部门的领导和支持下,张学记牵头创立了中国生物监测监测产业创新联盟并任理事长。
  回国5年多来,张学记在世界知名的科技出版社德国斯普林格出版英文专著2部;申请发明专利25项,获得国家授权专利13项;在国际著名学术研究期刊发表SCI论文100余篇,其中影响因子大于5的50余篇;在国际会议做大会报告、主题报告及邀请报告25次。2012年6月,经中央提名,科学家中唯一一位中共十八大代表。2013年,当选为俄罗斯工程院外籍院士,2014年当选为英国皇家化学会会士,中国化学会理事。2015年,当选为国际传感器科学会议主席。
  这位曾经的瑞士杰出留学学者奖、GCAA终身成就奖和世界杰出华人奖获得者,用了一句诗意的语言诠释自己的这一切——“一个人的巨大成功果实,往往挂结在爱国主义这棵常青树上”。
  
  
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2024年5月

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