生物傳感器多學(xué)科“艦隊(duì)”啟航

王延斌

六月中旬，當(dāng)“中國生物傳感器制造創(chuàng)新中心”組建成功的消息傳出之后，主推者山東省科學(xué)院生物所所長史建國收到了中科院院士陳洪淵的來信，“得知你們建立了很有必要和很大發(fā)展前景的研究中心，特此祝賀！”

將生物傳感器涉及的生物學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、分析化學(xué)、儀器儀表、精密機(jī)械加工等學(xué)科“撮合”起來聯(lián)合科研，是陳院士多年來未了的心愿。這個(gè)心愿也反映在一張泛黃的《科技日報(bào)》上——1998年5月26日，《科技日報(bào)》曾刊文呼吁“加強(qiáng)交叉學(xué)科協(xié)調(diào)，促進(jìn)聯(lián)合，盡快組建生物傳感器研究開發(fā)中心”。不曾想，呼吁在此后20年時(shí)間里“沒了下文”。

呼吁成空，但問題猶在：在生物傳感器領(lǐng)域，存在著相關(guān)學(xué)科配合不夠，特別是體制機(jī)制上各家科研工作自成體系、重復(fù)科研，乃至各自在生物傳感器的起跑線上只做基礎(chǔ)性工作，而很少在產(chǎn)品的實(shí)用化上繼續(xù)研發(fā)。

如今，由山東省科學(xué)院生物所牽頭，包括中科院五個(gè)研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交大、浙江大學(xué)等12所高校的科研機(jī)構(gòu)，華大基因等六所企業(yè)在內(nèi)的25家行業(yè)“巨頭”們參與，決定回應(yīng)呼吁，剔除積弊，瞄準(zhǔn)“卡脖子”難題組建中國生物傳感器制造創(chuàng)新中心。他們能如愿嗎？

“一項(xiàng)更懂你的技術(shù)”

訴說科技改變生活的神奇

“通過一滴汗可測量人體十幾項(xiàng)健康指標(biāo)?！边@是生物傳感器的最新成果，而從汗到十幾項(xiàng)健康指標(biāo)的轉(zhuǎn)換過程，代表了生物傳感器的神奇。

在生物傳感器領(lǐng)域浸潤了近三十年后，史建國如此形容生物傳感器的重要性：它是人工智能的核心、智能化交互的必備；它像理智的研究者一樣敏銳地體察并反饋人類的方方面面，它與化學(xué)傳感器技術(shù)、物理傳感器技術(shù)構(gòu)成新時(shí)代信息技術(shù)的“三駕馬車”。

“簡單來說，生物傳感器充當(dāng)著一個(gè)接收器和轉(zhuǎn)換器的角色?！笔方▏蚬P者表示，科學(xué)家們提取出動(dòng)植物發(fā)揮感知作用的活性材料，這包括生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體等；同時(shí)將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息；將信息通過光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據(jù)。

比如，可穿戴式生物傳感器通過皮膚上的汗水監(jiān)測患者的葡萄糖水平，從而改寫糖尿病患者的人生；比如原先的病毒檢測需要1～3天，新型納米生物傳感器可在短短2～3小時(shí)內(nèi)檢測到不同病毒。

而我國生物傳感器研究起步于20世紀(jì)80年代，90年代產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用。在從無到有的發(fā)展史上，一個(gè)個(gè)“拓荒者”或接力，或并行，拓展著該領(lǐng)域的廣度和深度?！霸醋?0世紀(jì)80年代，汪爾康、董紹俊，開創(chuàng)中國生物傳感研究領(lǐng)域；張先恩，發(fā)展了我國第一批智能型微生物BOD傳感器和系列復(fù)合酶電極；馮德榮，開創(chuàng)中國酶電極生物傳感器產(chǎn)業(yè)；黎高祥，中國第一個(gè)場效應(yīng)管青霉素酶電極；崔大付，中國第一個(gè)SPR表面等離子體共振傳感器；袁中一，中國第一個(gè)農(nóng)藥殘留生物傳感器；胡軍，中國第一個(gè)血糖儀及試劑條產(chǎn)業(yè)……”史建國說。

而更多的人在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進(jìn)行了艱苦的努力，直到2008年，中國在國際最高水平期刊上的生物傳感相關(guān)論文數(shù)量超過美國。這本應(yīng)是可喜可賀的事情，但遺憾的是，數(shù)量之最并不能改寫我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)仍處于低端的現(xiàn)實(shí)。

縱有“三宗最”

國際市場份額仍不到10%

20年前的呼吁，為何今天才得到回應(yīng)？

在史建國看來，這與生物傳感器技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。早在1998年《科技日報(bào)》發(fā)文呼吁時(shí)，我國生物傳感器領(lǐng)域的科研人正疲憊地跟在發(fā)達(dá)國家后面跑，各種條件不成熟，更關(guān)鍵的問題是生物傳感器涉及的相關(guān)學(xué)科“各自為戰(zhàn)”，猶如形不成拳頭的五指，分散了力量。

“作為一個(gè)典型跨學(xué)科的交叉產(chǎn)物，生物傳感器融合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)和信息科學(xué)及相關(guān)技術(shù)，這意味著各個(gè)學(xué)科的科研人要耐住寂寞，在一次次失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步向?qū)嵱没繑n?！笔方▏硎?，與其他經(jīng)典的分析儀器相比，生物傳感器制造缺乏專業(yè)的技術(shù)人才、工藝、裝備。這意味著即使科研人都懂得制造工藝，但因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)裝備、材料等支撐，也束手無策，甚至被卡了脖子。

筆者了解到，國內(nèi)某一流科研院所在十多年前研發(fā)出一項(xiàng)具有國際水準(zhǔn)的生物傳感器技術(shù)，但苦于缺乏后續(xù)制造能力而不得不轉(zhuǎn)讓給國外公司，后者將其落地后，以一套上百萬的價(jià)格返銷中國，獲取暴利。

到了當(dāng)下，中國的生物傳感器已經(jīng)具備了“三宗最”，科研群體國際最大、研究論文國際最多、科研條件國際一流，但現(xiàn)實(shí)是：美國長期主導(dǎo)國際生物傳感器市場發(fā)展，占國際市場的50%以上，而中國不到10%。這里面重要的因素是技術(shù)問題。

史建國舉例道，比如固定化酶傳感器是傳感器領(lǐng)域研究最多、商品化最成功的分析產(chǎn)品。但由于酶分子元件缺乏，沒有核心競爭力。另外，生物傳感器上的核心部件醋酸纖維素內(nèi)膜，這張小拇指蓋大小、只有發(fā)絲三分之一厚的膜，需要在上面涂一層層的生物材料，但長期以來國內(nèi)的人工方式很難涂抹均勻，由此造成了性能穩(wěn)定性不足，直到現(xiàn)在這一工藝還被國外掌握著?！翱梢哉f，整個(gè)生物傳感器的鏈條沒有串起來?！笔方▏偨Y(jié)。

而中科院生物物理所研究員張先恩則認(rèn)為，中國生物傳感研究存在兩個(gè)主要問題，一是引領(lǐng)性研究不夠，二是產(chǎn)業(yè)化薄弱。不過，“現(xiàn)在論文多了，研究水平比較高了，經(jīng)費(fèi)強(qiáng)度也今非昔比，若能調(diào)整研究價(jià)值取向及評(píng)價(jià)導(dǎo)向，加上鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的政策和加強(qiáng)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，再通過聯(lián)盟建設(shè)，提升中國的生物傳感產(chǎn)業(yè)競爭力是十分樂觀的”。

布局多學(xué)科交叉體系

時(shí)間表體現(xiàn)科研人雄心

人們用“搞生物的不懂電子，搞化學(xué)的不懂制造”來形容生物傳感器各行業(yè)“單打獨(dú)斗”的局面，但并不是所有的單位都受困于此。

作為我國唯一實(shí)現(xiàn)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科研單位，山東省科學(xué)院生物所已先后研制出葡萄糖、還原糖、乳酸等多種生化分析傳感器，產(chǎn)品占國內(nèi)食品發(fā)酵市場95%以上（其余5%為進(jìn)口產(chǎn)品），打破了國外技術(shù)封鎖。

筆者了解到，在這一系列成果背后是一支多學(xué)科交叉的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。史建國表示，山東省科學(xué)院生物所是偏向于應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)，科研成果既注重高精尖，也注重“接地氣”，在“論文導(dǎo)向”方面相對超脫。

此次，該所牽頭組建的“跨部門、跨行業(yè)、跨區(qū)域”的生物傳感器研發(fā)布局，能否推動(dòng)中國生物傳感器從“世界第一論文大國”向“第一技術(shù)大國”轉(zhuǎn)變？史建國給出一張時(shí)間表：“以利益共同體的形式將大家撮合到一起，爭取每年研發(fā)100種以上新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備，培育生物傳感器產(chǎn)業(yè)集群，發(fā)展生物傳感器產(chǎn)業(yè)基地。5～8年左右時(shí)間，使我國生物傳感器國際市場占有率從目前10%提高到20%，而我們的目標(biāo)是50%。”

時(shí)間表體現(xiàn)了這些科研人的雄心，但雄心的成色，還需時(shí)間驗(yàn)證。