傳感領(lǐng)域的“跨界”英雄

王軍

人類在與癌癥對陣的痛楚時刻，常會尷尬地意識到，現(xiàn)代文明尚未走上終極巔峰。變化多端的癌細胞，像極了柯南道爾筆下的“犯罪國王”莫里亞蒂，神秘、危險、不遵常理。在波譎云詭的生死迷局中，還沒有人敢自恃為它的克星。

事實上，大部分癌癥患者在確診時就已錯過了治療的最佳時機，假如早期診斷系統(tǒng)可以像夏洛克·福爾摩斯一樣洞悉一切、將危機預(yù)警提前一年或者更長的時間，那就等同于為患者爭取到了一線生機。

造就這個“傳奇”的不是某位知名醫(yī)師，而是世界著名化學(xué)生物傳感器專家、俄羅斯工程院外籍院士， 國家”千人計劃”特聘教授、北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院院長張學(xué)記。

“執(zhí)拗”的“大牛”

在北科大，為人謙和的張學(xué)記教授仍然被稱為“大?！薄W(xué)生們常說：“聽聽張教授的‘牛人牛事比吃飯更有營養(yǎng)。”

確實，他的科研履歷精彩至極——早在1994年讀博時，他研發(fā)的納米傳感器就獲“中國大學(xué)生應(yīng)用科技發(fā)明大獎賽”特等獎；自1989年投身生物化學(xué)傳感器件研發(fā)至今，已開發(fā)出30余種相關(guān)產(chǎn)品，被全球100多個國家廣泛使用，創(chuàng)造近億元的經(jīng)濟效益；留學(xué)美國期間，開發(fā)的微型化自由基電化學(xué)檢測系統(tǒng)，運用在航天飛機和宇宙空間站，獲得了世界認可；由于成就卓越，他被聘為美國世界精密儀器公司高級副總裁，首席科學(xué)家， 成為該公司近50年來聘任的首位外籍高級副總裁；迄今為止，他已在《美國化學(xué)會志》《分析化學(xué)》等國際一流學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文300余篇，出版中英文研究專著7部，申請/獲批專利45項。

不過，讓更多人對他印象深刻的是他的“執(zhí)拗”。

在國外的15年間，所在公司和身邊的朋友多次建議張學(xué)記加入美國國籍，“淘金族”夢寐以求的美國護照觸手可得，他卻不為所動；2009年，正值事業(yè)蓬勃向上的“黃金期”，祖國發(fā)起“千人計劃”號召，他第一時間作出反應(yīng)——放棄優(yōu)厚的工作待遇和優(yōu)美的生活環(huán)境，回國。

旁人眼中的意外，對他而言是再自然不過的選擇：“科學(xué)是沒有國界的，但科學(xué)家有自己的祖國。從小學(xué)念到博士，整個教育階段我?guī)缀鯖]有花家里的錢，所以總覺得欠祖國和人民的一份情，希望能用自己學(xué)到的知識回報祖國和人民。出國時我就沒想永久留在國外，在我內(nèi)心深處，也從未改變過報效祖國的愿望。我們的先賢也曾經(jīng)講過，為天地立心，為生民立命，為往圣繼絕學(xué)，為萬世開太平。作為新一代的知識分子，我們更應(yīng)該有這份責(zé)任，這樣一份情懷， 為祖國的繁榮和富強做出自己的一份貢獻?！?/p>

如果癌癥預(yù)警可以提前18個月

2009年10月，張學(xué)記作為中組部“千人計劃”引進人才進入北京科技大學(xué)工作，著手組建生物工程與傳感技術(shù)研究中心。進校第一天，他就給自己定下了目標(biāo)：抓科研、帶學(xué)生，致力于把科研成果產(chǎn)業(yè)化，這也正是中國科技版圖的命脈部分。

擺在眼前的第一個命題就是，選準(zhǔn)方向。留美期間，張學(xué)記接觸的多為精密儀器、傳感器件、新材料領(lǐng)域，但基于知識產(chǎn)權(quán)和保密制度，回國后一切都要重新開始。發(fā)自那一片“為萬世開太平”的初心，他將科研方向瞄準(zhǔn)了生物醫(yī)學(xué)工程，尤其是病魔之王——癌癥的早期檢測。

是的，這片領(lǐng)域是與死神和魔鬼抗?fàn)幍氖澜?。近年來，全球平均?個死亡病例中就有1人死于癌癥，比艾滋病、結(jié)核病和瘧疾導(dǎo)致的死亡人數(shù)總和還要高。在我國，惡性腫瘤儼然成為了威脅國人健康的最大殺手，數(shù)據(jù)顯示，近年來全國每10萬人中就差不多有285個人發(fā)病，每年新發(fā)腫瘤病例約312萬例，平均每天新增腫瘤病患8550人，也就是說，每10秒鐘，中國大地上就有1個人被診斷為惡性腫瘤。張學(xué)記向記者介紹道：“我國癌癥的發(fā)病率和死亡率都超過了世界平均水平，大量臨床數(shù)據(jù)顯示，大部分的腫瘤患者在目前的影像學(xué)檢查確診時，已喪失了治療的最佳時機。更為嚴峻的是，其中一些疾病，如乳腺癌、顱內(nèi)腫瘤等的發(fā)病率還在呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢。在這種背景下，防患于未然就顯得尤為關(guān)鍵了?！?/p>

作為一種進行性發(fā)展疾病，惡性腫瘤的某些重度癌前病變可以維持相當(dāng)長的時間，預(yù)防得當(dāng)就有可能阻滯、延緩腫瘤的發(fā)生。舉例來說，按照目前的醫(yī)療水平，早期胃癌患者治療5年，生存率可超過80%，而對晚期患者，治療5年，生存率仍低于10%。然而，目前的現(xiàn)實狀況是，臨床醫(yī)學(xué)上所采用的各種檢測手段很難滿足腫瘤的早期診斷需求。

張學(xué)記一直致力于應(yīng)用化學(xué)、材料、生物技術(shù)等不同的研究手段和方法，對生物體系或環(huán)境體系中的微量、痕量分子信號直接的相互作用與動態(tài)聯(lián)系進行捕捉和信號轉(zhuǎn)換，進而獲得高靈敏的定量分析結(jié)果，在他看來，在看似神秘的生命圖譜中，大多數(shù)疾病都是有跡可循的。

基于傳感技術(shù)的癌癥早期診斷系統(tǒng)由此立項，目前已經(jīng)得到了國家藥監(jiān)局的臨床實驗許可，進行了3萬多次的臨床試驗。這個系統(tǒng)可以在腫瘤形成之前提前18個月進行早期預(yù)警，毋容置疑，一旦它應(yīng)用于臨床，將成為世界醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破。為了更好地進行臨床實驗，經(jīng)上級批準(zhǔn)， 張學(xué)記兼任301醫(yī)院臨床生化部副主任。

造就癌癥預(yù)警領(lǐng)域的“神探夏洛克”當(dāng)然不是一蹴而就的。除了扎實的專業(yè)功底、卓越的研究團隊，張學(xué)記更視“創(chuàng)新”為科研的靈魂。他常說：“創(chuàng)新有兩個重要因素，一是興趣，二是有需求，正所謂興趣驅(qū)動，需求牽引?！边@項由需求牽引的成果，借助納米技術(shù)和微加工技術(shù)，結(jié)合酶催化放大、納米技術(shù)放大、現(xiàn)代生物放大技術(shù)等檢測信號增強策略，建立了新型生物傳感與成像檢測體系，綜合應(yīng)用了電化學(xué)傳感、固體納米通道、多模成像分析、光學(xué)生物傳感、光電化學(xué)傳感、質(zhì)譜成像技術(shù)及微透析技術(shù)等多種手段。其中，生物傳感與成像新策略構(gòu)筑了新型生物傳感界面，設(shè)計出具有高穩(wěn)定性、可控性和高選擇性的分子識別與信號提取及放大體系，發(fā)展了高靈敏性、高選擇性、時空分辨的傳感與成像技術(shù)。這在建立具有自主產(chǎn)權(quán)和原創(chuàng)性的分子診斷平臺等方面均顯示出獨特的優(yōu)越性，為乳腺癌等重大疾病的分子機制研究及早期診斷提供分子基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。

用5年時間打造精英團隊

北科大生物工程與傳感技術(shù)研究中心并不大，不足600平米。不過，從建立第一天開始，“頂天立地”的四字方針一直說得底氣十足。頂天，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，就是要把研究成果產(chǎn)業(yè)化，商業(yè)化，應(yīng)用于實際，應(yīng)用于社會。

中心籌建過程中，張學(xué)記遇到過很多棘手的問題——人員少、資金短缺、實驗場地不足，創(chuàng)業(yè)不可謂不艱辛。即使有各級領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)校的大力支持，實驗室從無到有、從小到大，也都必須做到事無巨細、樣樣關(guān)心。

為了打造一流的科研團隊，他從海內(nèi)外多所著名院校引進了多名化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、計算機專業(yè)的科研人員，還依靠北科大材料、化學(xué)、生物等實力雄厚的重點學(xué)科，以學(xué)科交叉、融合為思路，著力搭建一流的學(xué)術(shù)研究平臺。他說：“要想成為一流的大學(xué)，一流的企業(yè)，一流的國家，最重要的是要有一流的人才。一流的設(shè)備可以買，一流的大樓可以造，但離開一流人才去使用和管理，就都是空談?！?/p>

與吸納人才相比，培養(yǎng)人才更加耗費心神?！拔野l(fā)現(xiàn)很多研究生都不敢去創(chuàng)新，因為博士生畢業(yè)有在核心期刊發(fā)3篇論文的硬指標(biāo)，而實際上有時侯做一個真正的創(chuàng)新性的研究需要5年或更長時間。如果真去做原始創(chuàng)新，許多學(xué)生恐怕都畢不了業(yè)。對老師的考評亦是如此，新老師過一兩年就要考核，達不到要求就不會續(xù)聘，因此很多人只有做一些邊邊角角的修補或跟蹤性研究。”

為了重建大家的科研習(xí)慣、培養(yǎng)團隊的國際視野，中心陸續(xù)建立了定期研討會和學(xué)術(shù)匯報制度，并大力搭建國際交流平臺。他邀請多名國際著名科學(xué)家， 發(fā)達國家科學(xué)院院士， 包括諾貝爾獎評委， 諾貝爾獎候選人擔(dān)任北京科技大學(xué)名譽教授；同時接受多批美國、加拿大、歐洲的博士生、碩士生、本科生到北科大合作交流和訪問。除此之外，他還先后選派多名教師和研究生前往美國加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校、日本東京大學(xué)、日本京都大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、歐洲大學(xué)及研究所學(xué)習(xí)交流。

為了引導(dǎo)更多有創(chuàng)新思維的年輕人入門，中心同時為本科生聘請了加拿大大學(xué)和美國大學(xué)教授為夏季小學(xué)期授課專家，張學(xué)記本人也在百忙之中專門為本科生開設(shè)了課程。他在課堂上說：“自由創(chuàng)新、善于發(fā)現(xiàn)、科學(xué)思維，要在科學(xué)研究道路上越走越遠，勤奮才是真正的智慧?！睋?jù)說，這門課程幾乎無人缺課，有講座時更是連過道上也站滿了人。最讓學(xué)生們佩服的是，他能把枯燥的生物化學(xué)傳感、自由基化學(xué)分析等課程，講得像故事一樣吸引人。

經(jīng)過5年來的悉心耕耘，如今中心已經(jīng)發(fā)展成為一個以納米生物傳感技術(shù)、生物能源、生物醫(yī)藥和產(chǎn)業(yè)化研究推廣為主要研究方向的前沿基礎(chǔ)研究基地、人才培養(yǎng)基地和技術(shù)創(chuàng)新基地。目前擁有教授4人、副教授4人、講師2人、教師博士后2人、在校碩士研究生30多人、博士研究生20多人。

研究團隊以發(fā)展傳感技術(shù)為特色，目前已扎根生物分析化學(xué)及生物傳感器件等研究領(lǐng)域，以分子識別為基礎(chǔ)，從生物傳感界面構(gòu)建、傳感信號放大機制以及傳感基礎(chǔ)理論等三個方面入手，在生物功能材料的有序組裝、仿生微納界面、生物傳感與功能器件的構(gòu)建等諸多領(lǐng)域做出了一系列有意義的工作。相關(guān)成果被發(fā)表在Chem Rev.，JACS，Angwe. Chem.Int.Ed.，Adv.Mater.，Anal. Chem.，Chem. Commun.，Bioelectrc.Biosen.等知名學(xué)術(shù)刊物上。5年來，中心有一位教師破格晉升，成為北京科技大學(xué)最年輕的正教授， 還有多位教師入選教育部、北京市的人才資助計劃。

在張學(xué)記的主持下，中心與日本東京大學(xué)、美國哈佛大學(xué)、加州大學(xué)、南佛羅里達大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工、瑞典大學(xué)、斯洛文尼亞國立化學(xué)研究所等10余所國外大學(xué)、研究機構(gòu)及多家國內(nèi)外企業(yè)建立了合作關(guān)系，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金課題10余項，其他各類基金課題幾十項，并且取得多項突破性成果，比如：在復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料探針的組裝、化學(xué)傳感機制和高靈敏傳感技術(shù)方面發(fā)展了一系列性能優(yōu)異的生物傳感器；在仿生納米材料制備和仿生生物界面構(gòu)建等多方面取得了多項創(chuàng)新性成果；受鼻粘膜中分形結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，實現(xiàn)對凝血酶的快速靈敏檢測，發(fā)展了高靈敏腫瘤標(biāo)志物檢測技術(shù)；在納米傳感界面的構(gòu)建基礎(chǔ)之上，發(fā)展了一系列高效生物分子探針的設(shè)計策略；以電化學(xué)技術(shù)和熒光技術(shù)為手段，建立一系列可以快速、方便和靈敏檢測核酸片段的新方法；通過集細胞轉(zhuǎn)染和胞內(nèi)分子高效識別多功能納米探針的組裝，實現(xiàn)了腫瘤細胞內(nèi)某種特定分子細胞成像的檢測。功夫不負有心人，在團隊上下的共同努力下，2013年，生物工程與傳感技術(shù)研究中心被評為北京市重點實驗室。

未來的任務(wù)是成果孵化

在搭建團隊的同時，張學(xué)記身先士卒，承擔(dān)了多項國家級科研項目。其中包括國家“千人計劃”項目、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)儀器專項項目“新型高分辨掃描電化學(xué)顯微鏡的研制”，國家自然科學(xué)基金委面上項目“納微一氧化氮電化學(xué)傳感器及其用于卵母細胞受精過程中一氧化氮的原位時空分析”“急性早幼粒細胞白血病microRNA分析及新型納米探針的研究”，科技部、教育部科研項目及北京市科委“生物工程與傳感技術(shù)北京市重點實驗室2013年度科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程專項項目”等，取得了豐碩的研究成果。

其中，在免疫分析、納米生物傳感、細胞分析化學(xué)和臨床分子診斷以及微流控分析等方面，他創(chuàng)新性地提出溶膠、凝膠氣相沉積法和4種多分析物免疫檢測的分辨新概念，構(gòu)建了一系列免疫分析新原理；研制成多種原創(chuàng)性的納米生物傳感器；建立了極高靈敏度的PCR-電化學(xué)檢測方法；開辟了納米量子點電化學(xué)傳感新領(lǐng)域。納米生物傳感器與生物芯片、納米材料與生物分子相互作用、生物電化學(xué)與生物光譜等研究工作；致力于發(fā)展高靈敏度、高特異性、廉價、快速、便攜的集成化生物傳感器與生物芯片；通過生物分子與無機納米材料之間的相互作用與調(diào)控，發(fā)展新一代生物檢測技術(shù)。

其次，在微納型化生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，進行了微流控芯片分析器件的構(gòu)建、納米醫(yī)學(xué)智能化藥物載體、納米駐極體器件的分析研究。其中微流控芯片個性化醫(yī)療抗腫瘤藥物篩選平臺可以實現(xiàn)四大效果：一是在一塊平方厘米見方的微芯片上對多種細胞的圖案化培養(yǎng)和藥物處理，每一塊圖案化細胞僅有10個細胞左右。二是在藥物處理之后的給定時間點對細胞進行凋亡染色的圖像結(jié)果分析，能夠?qū)Χ喾N給藥條件進行結(jié)果分析。三是在圖像分析之后能夠?qū)蝹€細胞團塊進行基因表達的分析研究，從而發(fā)現(xiàn)細胞產(chǎn)生耐藥性的機理。四是在該平臺能夠完成從細胞高通量培養(yǎng)到細胞全基因表達譜的分析，從而完成“從圖像到基因”的藥物完全篩選分析平臺的構(gòu)建。納米圖案化與駐極體器件是非傳統(tǒng)微納米圖案化技術(shù)的開發(fā)及其在生物、化學(xué)傳感及能源器件上的應(yīng)用，基于駐極體材料的自組裝和聚合物刷的制備與應(yīng)用。

同時，張學(xué)記還致力于開發(fā)智能化傳感界面構(gòu)建技術(shù)與方法，主要包括仿生界面的構(gòu)建與應(yīng)用及表面增強拉曼界面的構(gòu)建與高效的檢測分析。以生物傳感應(yīng)用為導(dǎo)向，合成多種生物納米材料，將生物傳感與納米技術(shù)相結(jié)合，通過納米組裝與分子識別作用，開發(fā)多種原創(chuàng)性的納米生物傳感器。例如針對目前水下超疏油薄膜機械強度差等問題，受自然界中貝殼珍珠層的啟發(fā)，基于天然粘土和聚電解質(zhì)制備了仿珍珠層薄膜，該薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)性能、良好的水下超疏油性質(zhì)和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。

此外，隨著信息化時代的來臨，生物識別技術(shù)作為信息安全和個人身份識別技術(shù)越來越受到人們的重視，已成為國際上身份鑒別領(lǐng)域的研究熱點，其中指紋識別技術(shù)是最成熟、準(zhǔn)確、價格低廉和容易使用的。為了探索基于電化學(xué)原理的指紋傳感技術(shù)中的實驗和理論應(yīng)用基礎(chǔ)研究，他建立和發(fā)展“電化學(xué)指紋傳感器”的新概念和新方法，解決現(xiàn)有光學(xué)或半導(dǎo)體指紋傳感技術(shù)對如紙幣、紡織物、皮膚以及復(fù)雜彩色背景材料等表面的指紋不能傳感或傳感質(zhì)量差的問題，張教授著眼于新材料、新傳感技術(shù)在法醫(yī)學(xué)證據(jù)采集方面的拓展，如潛指紋顯現(xiàn)及圖像采集技術(shù)。最近， 張學(xué)記又將研究向第二代生物識別技術(shù)——指靜脈生物識別及DNA生物識別推進。

不難看出，與癌癥早期診斷系統(tǒng)一樣，張學(xué)記關(guān)注的每一個項目，都更重視研究成果的產(chǎn)業(yè)化。他說：“創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化等多個環(huán)節(jié)，要讓成果轉(zhuǎn)化必須要專業(yè)的轉(zhuǎn)化平臺和孵化器，需要既懂科技又懂管理的復(fù)合型人才。”利用我國資源優(yōu)勢和市場優(yōu)勢“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合，加速度開展化學(xué)生物傳感器及其測量系統(tǒng)的市場化探索，是他給自己設(shè)置的主要課題之一。為此，2015年，在中央有關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，張學(xué)記牽頭創(chuàng)立了中國生物監(jiān)測監(jiān)測產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟并任理事長。

回國5年多來，張學(xué)記在世界知名的科技出版社德國斯普林格出版英文專著2部；申請發(fā)明專利25項，獲得國家授權(quán)專利13項；在國際著名學(xué)術(shù)研究期刊發(fā)表SCI論文100余篇，其中影響因子大于5的50余篇；在國際會議做大會報告、主題報告及邀請報告25次。2012年6月，經(jīng)中央提名，張學(xué)記當(dāng)選成為“千人計劃”科學(xué)家中唯一一位中共十八大代表。2013年， 當(dāng)選為俄羅斯工程院外籍院士，2014年當(dāng)選為英國皇家化學(xué)會會士，中國化學(xué)會理事。2015年，當(dāng)選為國際傳感器科學(xué)會議主席。

這位曾經(jīng)的瑞士杰出留學(xué)學(xué)者獎、GCAA終身成就獎和世界杰出華人獎獲得者，用了一句詩意的語言詮釋自己的這一切——“一個人的巨大成功果實，往往掛結(jié)在愛國主義這棵常青樹上”。