生物傳感器的“中國(guó)夢(mèng)”
——記山東省科學(xué)院生物研究所所長(zhǎng)、山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任史建國(guó)

□ 孫欣欣

史建國(guó)在澳大利亞考察時(shí)留影

2015年7月，史建國(guó)組織了由山東省科學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)分院共同舉辦的“生物傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”，探討生物傳感器技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，明確生物傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)要加快推進(jìn)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2017年9月，史建國(guó)作為大會(huì)嘉賓參加了工業(yè)和信息化部組織的“名家芯思維”之“2017年生物傳感器產(chǎn)業(yè)化國(guó)際研討會(huì)”，并主持了生物傳感技術(shù)對(duì)話交流活動(dòng)，共同探討我國(guó)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及存在問(wèn)題。2017年10月，“首屆全國(guó)生物傳感、生物芯片及納米生物技術(shù)高端論壇”在佛山中歐中心召開(kāi)，史建國(guó)作為大會(huì)嘉賓接受了《南方日?qǐng)?bào)》專(zhuān)題采訪，提出要組建協(xié)同創(chuàng)興體系，建設(shè)生物傳感產(chǎn)業(yè)基地。2018年6月中旬，由山東省科學(xué)院生物研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院5個(gè)研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等12所高校的科研機(jī)構(gòu)，以及華大基因等6家企業(yè)在內(nèi)的25家傳感器行業(yè)“巨頭”，組建了中國(guó)生物傳感器制造創(chuàng)新中心。這一創(chuàng)新中心，將瞄準(zhǔn)生物傳感器領(lǐng)域的關(guān)鍵前沿難題，進(jìn)行交叉學(xué)科的“抱團(tuán)”攻關(guān)，打造國(guó)家級(jí)的中試平臺(tái)。2019年5月，史建國(guó)作為大會(huì)主席之一，在濟(jì)南組織召開(kāi)了“第二屆全國(guó)生物傳感、生物芯片與納米生物技術(shù)高端論壇（BBN China 2019）”，再次提出建設(shè)協(xié)同傳感創(chuàng)新中心和中試平臺(tái)的建議，得到與會(huì)專(zhuān)家的廣泛認(rèn)同。

作為創(chuàng)新中心的組織者和發(fā)起人之一，山東省科學(xué)院生物研究所所長(zhǎng)，山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任史建國(guó)認(rèn)為，只有“抱團(tuán)”，才能讓中國(guó)生物傳感器的發(fā)展迅速追趕甚至超越西方國(guó)家。

2018年與博科集團(tuán)董事長(zhǎng)甘宜梧（前排左一）在生物傳感技術(shù)創(chuàng)新中心成立座談會(huì)上

“在未來(lái)的5到8年時(shí)間，爭(zhēng)取讓中國(guó)的生物傳感器國(guó)際市場(chǎng)占有率從10%提高到20%，未來(lái)，我們的目標(biāo)是50%?！笔方▏?guó)談到未來(lái)時(shí)，擲地有聲。

這不會(huì)是一句隨便喊喊的口號(hào)，也不能是。

在過(guò)去的30年里，史建國(guó)致力于生物傳感器的技術(shù)研發(fā)。在他帶領(lǐng)下，山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室起草制定了我國(guó)第一個(gè)葡萄糖生物傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，先后研制出的葡萄糖、還原糖、乳酸等多種生化分析傳感器，不僅建立了生物傳感器在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)方法、操作規(guī)程、配套試劑及培訓(xùn)服務(wù)體系，還徹底打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。為我國(guó)生物傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

如今，解決領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)難題與建立中試平臺(tái)，已經(jīng)成為史建國(guó)兩個(gè)最為重要的使命。

從起步到國(guó)際首創(chuàng)

“只要滴一滴汗，就可以測(cè)量人體10幾項(xiàng)的健康指標(biāo)。”在解釋生物傳感器究竟為何物時(shí)，史建國(guó)用這樣的一句話形象地描述了它的神奇。他已經(jīng)不記得多少次向來(lái)訪者科普生物傳感器在現(xiàn)代科學(xué)體系中的“妙用”了。

“生物傳感器充當(dāng)著一個(gè)接收器和轉(zhuǎn)換器的角色，科學(xué)家們提取出動(dòng)植物發(fā)揮感知作用的活性材料，比如生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體等，再將這些生物元件感受到的持續(xù)有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息，通過(guò)光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等數(shù)據(jù)信息展示出來(lái)，為我們的科研和生產(chǎn)生活提供決策依據(jù)?！?/p>

國(guó)際上，生物傳感器起源于一種被稱(chēng)之為“隔離式氧電極”的檢測(cè)方法，由美國(guó)教授Clark于1956年首次提出，1962年證實(shí)了葡萄糖氧化酶（GOD）與氧電極結(jié)合進(jìn)行葡萄糖測(cè)定的可行性，第一代生物傳感器應(yīng)運(yùn)而生。從20世紀(jì)70年代中期至整個(gè)80年代，生物技術(shù)、生物電子學(xué)和微電子學(xué)不斷滲透、融合，使生物傳感器理論和方法不斷擴(kuò)展，形成了生物傳感器學(xué)科領(lǐng)域。1990年，首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)在新加坡召開(kāi)，標(biāo)志著生物傳感器已形成一個(gè)新興的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

1979年，下鄉(xiāng)插隊(duì)當(dāng)了兩年“知青”的史建國(guó)考上了大學(xué)，是典型的新三屆大學(xué)生。1988年研究生畢業(yè)后，他來(lái)到山東省科學(xué)院，從事藥物研究工作。

彼時(shí)，中國(guó)的生物傳感器領(lǐng)域的研究，才剛剛起步。史建國(guó)清晰記得，那時(shí)正值北京亞運(yùn)會(huì)前夕，運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常要用到一種叫作“血乳酸分析儀”的儀器，而在當(dāng)時(shí)，這一儀器只能向美國(guó)進(jìn)口，且價(jià)格高昂，儀器的關(guān)鍵部件就是固定化酶生物傳感器?！皩?duì)于當(dāng)時(shí)的中國(guó)來(lái)說(shuō)，這就是典型缺乏自主研發(fā)實(shí)力的關(guān)鍵技術(shù)?！笔方▏?guó)說(shuō)。

為了突破這一核心技術(shù)，山東省科學(xué)院集中當(dāng)時(shí)的科研力量進(jìn)行攻關(guān)。史建國(guó)也被調(diào)到了生物化學(xué)研究室，對(duì)生物傳感器技術(shù)進(jìn)行攻堅(jiān)克難。史建國(guó)大學(xué)學(xué)的是生物學(xué)，研究生研究的是細(xì)胞生物，剛到山東省科學(xué)院時(shí)，他從事抗生素的研究。轉(zhuǎn)到生化研究室后，為了盡快適應(yīng)新的領(lǐng)域，他每天閱讀大量的資料，一邊學(xué)習(xí)，一邊完成研究室給他交代的工作。

史建國(guó)是個(gè)典型的“工作狂人”，工作和閑暇時(shí)間，幾乎都在實(shí)驗(yàn)室里泡著，心里無(wú)時(shí)無(wú)刻不想著工作。如果實(shí)驗(yàn)中有問(wèn)題當(dāng)天沒(méi)解決，他就會(huì)睡不著。有時(shí)候半夜三四點(diǎn)醒來(lái)，突然就有了設(shè)計(jì)方案的想法和思路，為了保證第二天不會(huì)忘記，他都要拿紙筆記下來(lái)，才能安心地去休息。他說(shuō)，自己的這些習(xí)慣，深受許多老院士們的影響。

1995年，年僅35歲的史建國(guó)成為生化研究室副主任。4年后，生化實(shí)驗(yàn)室正式改名為生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。由于在生物傳感器研發(fā)和推廣中的成績(jī)，史建國(guó)彼時(shí)已被調(diào)去負(fù)責(zé)整個(gè)研究所的推廣工作。2007年，史建國(guó)回到生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任主任。

盡管史建國(guó)曾離開(kāi)生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近10年，但一直與實(shí)驗(yàn)室保持著緊密的聯(lián)系，也從未停止他在生物傳感器研發(fā)中的創(chuàng)新。

在過(guò)去30多年里，史建國(guó)參與或主持了多項(xiàng)國(guó)家和省市級(jí)科研項(xiàng)目，開(kāi)創(chuàng)了SBA和SGD系列分析儀器產(chǎn)品，在我國(guó)食品、發(fā)酵、醫(yī)藥、化工、環(huán)保、科研和教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，獲得國(guó)家、省部及各類(lèi)科技獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)。其中，SBA生物傳感器獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，SGD還原糖測(cè)定系統(tǒng)為國(guó)際首創(chuàng)，起草制定了我國(guó)第一個(gè)葡萄糖生物傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這也是我國(guó)目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科技成果。

從工業(yè)應(yīng)用到在線檢測(cè)

在過(guò)去多年的研究中，山東省科學(xué)院生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要從事工業(yè)領(lǐng)域的生物傳感器研究和應(yīng)用工作，是我國(guó)唯一實(shí)現(xiàn)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科研單位。產(chǎn)品占國(guó)內(nèi)食品發(fā)酵市場(chǎng)95%以上(其余5%為進(jìn)口產(chǎn)品)，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖。

作為山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，史建國(guó)積極帶領(lǐng)生物傳感器團(tuán)隊(duì)開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化工作。充分發(fā)揮生物傳感器的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)，不斷開(kāi)拓工業(yè)過(guò)程檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，解決了生物過(guò)程生化參數(shù)檢測(cè)與優(yōu)化控制的技術(shù)瓶頸，取得了系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，獲多項(xiàng)省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)勵(lì)，為我國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐。5年來(lái)，通過(guò)科技服務(wù)生物傳感器團(tuán)隊(duì)直接創(chuàng)收累計(jì)達(dá)3000多萬(wàn)元，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。繼續(xù)保持了在工業(yè)生物傳感器研究和應(yīng)用方面的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，為我國(guó)生物傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

生物傳感器是一個(gè)內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉的研究領(lǐng)域?！凹刃枰飳W(xué)，也要會(huì)分析化學(xué)材料，既要有機(jī)械加工電子器械的研究人員，也要有懂控制軟件設(shè)計(jì)和編程的人才?！鄙綎|省科學(xué)院生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之所以能夠始終占據(jù)中國(guó)生物傳感器研究及應(yīng)用領(lǐng)軍地位，正是因?yàn)槠涫且恢Ф鄬W(xué)科交叉的研究團(tuán)隊(duì)。

史建國(guó)表示，山東省科學(xué)院生物研究所是偏向于應(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(duì)超脫。

在史建國(guó)看來(lái)，面向中國(guó)的工業(yè)發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室能做的還有更多。未來(lái)他將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在環(huán)境、食品安全、醫(yī)療，以及可穿戴式生物傳感器領(lǐng)域，加快生物傳感器的技術(shù)轉(zhuǎn)化。

不僅如此，以前研發(fā)的生物儀器都是離線的，需要人工把樣品從車(chē)間拿到化驗(yàn)池去。而現(xiàn)在，他要將生物傳感器搞成在線的系統(tǒng)，這意味著，在未來(lái)的生產(chǎn)車(chē)間，產(chǎn)品檢測(cè)可以與生物傳感器直接結(jié)合，通過(guò)人工智能自動(dòng)取樣。

“現(xiàn)代工業(yè)體系需要很多傳感器，物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。如果沒(méi)有傳感器，許多工業(yè)的自動(dòng)化和智能化就無(wú)法實(shí)現(xiàn)?！?/p>

如今，史建國(guó)正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，將生物傳感器往在線檢測(cè)、原位檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)的方向發(fā)展，把物理和化學(xué)的傳感器進(jìn)行信息技術(shù)集成，通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)做分析，最終形成自動(dòng)檢測(cè)、智能分析、智能控制的傳感體系。

而今，這一平臺(tái)性項(xiàng)目的建設(shè)已經(jīng)卓有成效。

牽頭組建協(xié)同創(chuàng)新體系

盡管山東省科學(xué)院在生物傳感器的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)有了初步的探索和突破，然而不可否認(rèn)的一個(gè)事實(shí)是，中國(guó)生物傳感器在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)和北歐國(guó)家。

對(duì)此，史建國(guó)有著深刻的體會(huì)，“一直以來(lái)，中國(guó)在生物傳感核心器件的制造上仍相差甚遠(yuǎn)，許多都是靠我們手工做出來(lái)的?！笔方▏?guó)形容，這就像烤比薩、做餡餅一樣，做完以后發(fā)表論文，感覺(jué)“很好吃”，但是里邊的成分、組合的排列等都沒(méi)有數(shù)據(jù)，全部靠手工摸索，下次再做就不一定能重復(fù)制造出來(lái)。

在生物傳感器的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，史建國(guó)舉了一個(gè)讓人捶胸頓足的例子。

20世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院某研究所研發(fā)出了國(guó)際第一個(gè)SPR表面等離子體共振傳感器，申請(qǐng)了專(zhuān)利后交給一個(gè)儀器廠生產(chǎn)，生產(chǎn)出的儀器非常大，并且一直無(wú)法保證傳感器的穩(wěn)定性。后來(lái)，這個(gè)專(zhuān)利被輾轉(zhuǎn)賣(mài)到了國(guó)外廠家，多年過(guò)去，該國(guó)外廠家的產(chǎn)品在SPR傳感器領(lǐng)域成了國(guó)際“老大”，每年從中國(guó)獲利上百億元。

雖然SPR分析儀最早是中國(guó)人研制出來(lái)的，但我們企業(yè)受限于諸多因素，無(wú)法做出好的產(chǎn)品。我國(guó)為數(shù)眾多的生物傳感器研究機(jī)構(gòu)也都面臨著深入研究穩(wěn)定的生物傳感器，并把它們?cè)趯?shí)踐中應(yīng)用的困境。

盡管經(jīng)過(guò)這么多年的努力，中國(guó)的生物傳感器發(fā)展已經(jīng)有了很多優(yōu)勢(shì)，不僅有著國(guó)際上最多的生物傳感器研發(fā)團(tuán)隊(duì)，實(shí)驗(yàn)室遍布各大科研院所和大學(xué)，不亞于美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等西方國(guó)家，科研條件國(guó)際一流，而且中國(guó)在生物傳感器領(lǐng)域發(fā)表的高水平論文，如今也處于國(guó)際前列。

然而，論文的高質(zhì)量卻掩蓋不了制造水平的差距。史建國(guó)說(shuō)，在核心器件與核心元件上，中國(guó)的生物傳感器發(fā)展仍存在著嚴(yán)重的掣肘問(wèn)題?！霸趥鞲泻诵钠骷闹圃焖缴?，我們還差得非常遠(yuǎn)，這是我們的短板。生物元件如酶、蛋白、核酸等，我們還是要大量依靠進(jìn)口。雖然國(guó)內(nèi)也有企業(yè)能夠生產(chǎn)，但是性能卻不能和國(guó)外的產(chǎn)品相提并論?！?/p>

制造水平的差距，折射的仍然是中國(guó)的生物傳感器研究上相關(guān)學(xué)科無(wú)法有效融合、體制機(jī)制上各家科研工作自成體系的歷史性難題。“就像不能握成拳頭的五指，分散了力量?！笔方▏?guó)說(shuō)，早在20年前，這一問(wèn)題就已經(jīng)被院士專(zhuān)家們關(guān)注，呼吁要加強(qiáng)交叉學(xué)科的協(xié)調(diào)，但卻收效甚微。

幸運(yùn)的是，中國(guó)生物傳感器研發(fā)中交叉學(xué)科協(xié)調(diào)難的問(wèn)題，終于迎來(lái)了一個(gè)歷史性的拐點(diǎn)，中國(guó)生物傳感器制造創(chuàng)新中心在史建國(guó)的呼吁下終于成立。

史建國(guó)說(shuō)，如果能夠利用好創(chuàng)新中心的資源，20年后，中國(guó)就有希望能夠和美國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上打個(gè)平手。如果想要超越，仍任重而道遠(yuǎn)。

未來(lái)夢(mèng)想：搭建國(guó)家級(jí)平臺(tái)

作為一個(gè)科研人，史建國(guó)始終秉承著“不忘初心，牢記使命”的理念。初心就是做科學(xué)研究，使命就是服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。做科研不僅需要發(fā)論文寫(xiě)專(zhuān)利，更重要的是要把論文專(zhuān)利“寫(xiě)”在祖國(guó)大地上，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值、家庭價(jià)值、社會(huì)價(jià)值。既要在學(xué)術(shù)上有地位、有水平，也要在應(yīng)用領(lǐng)域把所學(xué)的知識(shí)緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，圍繞國(guó)際前沿、國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和社會(huì)重大需求。

在生物傳感器領(lǐng)域浸潤(rùn)了近30年，史建國(guó)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(lèi)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(chē)”。

在未來(lái)新世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開(kāi)發(fā))、環(huán)境保護(hù)及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。

第二屆全國(guó)生物傳感、生物芯片與納米生物技術(shù)高端論壇（BBN China 2019）團(tuán)隊(duì)合影留念

大力發(fā)展生物傳感產(chǎn)業(yè)，掌握核心技術(shù)，才能立于不敗之地。創(chuàng)新中心的成立，瞄準(zhǔn)的是生物傳感器領(lǐng)域的關(guān)鍵前沿難題，在交叉學(xué)科的融合中，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。而在史建國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃中，中國(guó)傳感器的發(fā)展，還必須打造一個(gè)國(guó)家級(jí)的中試平臺(tái)。如今，這一平臺(tái)的建設(shè)已經(jīng)提上日程。

“中試平臺(tái)可以面向整個(gè)國(guó)家整體提供生物傳感器領(lǐng)域的支撐服務(wù)，這是我未來(lái)要做的重要項(xiàng)目，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有。”

史建國(guó)告訴本刊記者，如今國(guó)內(nèi)的上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等生物傳感器研究室中，正在做生物元件的研發(fā)，而他也在聯(lián)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物器件制造的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，逐漸嘗試搭建起這一國(guó)家級(jí)的中試平臺(tái)。

“這一項(xiàng)目仍在進(jìn)行前期準(zhǔn)備，仍缺乏設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)工藝和專(zhuān)用設(shè)備。但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的論證，已經(jīng)有了初步的方案，并得到了很多院士和專(zhuān)家的支持?！?/p>

史建國(guó)說(shuō)，中試平臺(tái)不僅可以滿足產(chǎn)品正式投產(chǎn)前的小規(guī)模試驗(yàn)，也可以生產(chǎn)出生物傳感的核心器件，在國(guó)際市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力。

讓他欣慰的是，國(guó)內(nèi)的納米技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)，已經(jīng)有了與強(qiáng)國(guó)一拼的實(shí)力，對(duì)于中試平臺(tái)的搭建，將起到關(guān)鍵作用。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年積累，一大批青年科研人才正在成長(zhǎng)起來(lái)，他們或?qū)⒔影?，推?dòng)中試平臺(tái)的建設(shè)。

古語(yǔ)有云：“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索?！鄙飩鞲挟a(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦是如此。

“我現(xiàn)在最大的愿望，就是能夠解決生物傳感器制造的短板，解決關(guān)鍵核心問(wèn)題。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，就是要建成中試平臺(tái)，大力發(fā)展生物傳感產(chǎn)業(yè)，讓中國(guó)的科研成果可以在這平臺(tái)上進(jìn)行放大。”史建國(guó)說(shuō)。