為核酸檢測提供標準物質(zhì)
——訪2013級星友、上海計量院教授級高工劉剛

劉剛

2020年悄然過半，全球范圍內(nèi)新冠病毒肆虐、疫情蔓延的勢頭未減。為防止疫情再次暴發(fā)，無癥狀感染者及其傳播風險越來越受到重視。國家衛(wèi)健委從4月1日起將無癥狀感染者列入疫情通報內(nèi)容，采取了加大篩查力度，擴大檢測范圍等措施。同時，根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）介紹，此次發(fā)現(xiàn)的新型冠狀病毒是過去從未在人體中發(fā)現(xiàn)的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2），能否快速、準確地檢測出病毒，成為防控的關(guān)鍵。作為最終確診的關(guān)鍵性技術(shù)，核酸檢測發(fā)揮了極其重要的作用。但核酸檢測本身的準確性也成為公眾高度關(guān)切的問題，急需建立核酸濃度量值的溯源和質(zhì)控依據(jù)。在這個當口，上海市計量測試技術(shù)研究院（以下簡稱“上海計量院”）傳來好消息：上海研制的“新冠病毒體外轉(zhuǎn)錄RNA標準物質(zhì)”被批準為國家級標準物質(zhì)，依據(jù)ISO標準和國家標準物質(zhì)研制規(guī)范，連接國家級計量單位的核酸濃度量值，為新冠病毒核酸檢測試劑盒提供濃度量值的評價依據(jù)。至此，上海計量院作為華東大區(qū)級計量機構(gòu)，成功建立了新冠病毒體外轉(zhuǎn)錄RNA濃度的計量標準，為地方的試劑盒企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)和一線檢測實驗室提供有力的計量支持，目前推廣到了全國范圍，申請使用這一標準物質(zhì)的機構(gòu)和企業(yè)超過100家，發(fā)放標準物質(zhì)超過1 000瓶。

該成果的發(fā)布，使得一直處在幕后為社會經(jīng)濟和科技進步做出不可或缺貢獻的上海計量院，特別是該院布局多年的生物計量研究工作廣受關(guān)注。本期受訪星友劉剛就是上海計量院生物計量領(lǐng)域的學科帶頭人。

劉剛，上海市計量測試技術(shù)研究院化學所生物計量創(chuàng)新團隊負責人，全國生物計量技術(shù)委員會以及全國生化檢測標委會委員。從疫情暴發(fā)至今，他和他的團隊以生物計量為利器，在國家和人民最需要的時候，研制出國家級新冠病毒體外轉(zhuǎn)錄RNA標準物質(zhì)，提高了核酸檢測的準確性和可靠性，為實現(xiàn)新冠病毒核酸檢測從“有沒有”，到“好不好”再到“準不準”的提升做出重要貢獻，彰顯了上海計量領(lǐng)域科研攻關(guān)和質(zhì)量基礎(chǔ)保障的實力。

這位通過提供核酸檢測標準物質(zhì)來守衛(wèi)大眾健康的“幕后英雄”，面對我們的時候仿佛是面對著攝像機鏡頭，談及自己，含蓄低調(diào)，談及工作，滔滔不絕。

“人要有壓力，壓力會激發(fā)人的潛能，去挑戰(zhàn)自己，去發(fā)現(xiàn)更強大的自己”

1982年，劉剛出生于山東青島。父親是改革開放初期鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體企業(yè)干部、老黨員，母親是農(nóng)民。劉剛這樣介紹自己：很內(nèi)向，社交能力不強，天賦平平，不是那種很聰明的人，只是比較努力，后來慢慢覺得自己邏輯能力還可以，也很愿意和別人合作。劉剛完全是在農(nóng)村的環(huán)境里接受的中小學教育，來自人均教育資源相對匱乏的高考大省，異常殘酷的選拔競爭伴隨他大部分求學過程。2000年，劉剛被華東理工大學環(huán)境工程專業(yè)錄取。18歲的劉剛一頭扎進大學校園里，在浩瀚的知識海洋中孜孜以求，培養(yǎng)更加自主的學習能力。大三開始，正式接觸到實驗室工作，畢業(yè)設計環(huán)節(jié)以“納米催化材料在有害氣體處理中的應用研究”為題目，開展了初步的試驗探索工作，“回過頭來看，盡管當時科學能力是非常有限的，但這個過程對思維和動手能力的培養(yǎng)讓我受益匪淺?！彼偸且浴坝腥ぁ眮砻枋龃髮W的實驗室經(jīng)歷，這可能也啟發(fā)了后來他對于科研的興趣和追求。

真正走進科學研究的大門是在2003年，劉剛獲得保研名額，赴中科院上海應用物理研究所（以下簡稱“應物所”）樊春海老師那里開展碩博研究工作。當時樊老師以中科院人才計劃從美國回國初建課題組，開展生物傳感和生物納米前沿研究。面對幾乎全新的知識領(lǐng)域，劉剛擔心自己的工科背景難以勝任。樊老師鼓勵他說，對于交叉學科研究，最重要的是探索興趣和學習能力。就這樣劉剛成為一名碩博連讀學生，從頭學習分子生物學的基礎(chǔ)知識，在樊老師的指導下以核酸傳感檢測為目標，進入到了廣闊的科學研究世界。

“樊老師帶我領(lǐng)略了世界科技前沿勝景，引我入核酸生物傳感之門”

上海市計量測試技術(shù)研究院化學所生物計量團隊

隨著分子生物學、基因組學的發(fā)展，人們更深入了解到核酸不僅僅是一種遺傳信息的載體，它更是一種優(yōu)良的分子工具，具有無可比擬的生物兼容性，穩(wěn)定可編程的結(jié)構(gòu)信息，高度專一的識別功能，尤其是在生物傳感檢測領(lǐng)域，為我們展示了廣闊的可能性，時至今日，不管是已經(jīng)廣泛應用的臨床診斷試劑，還是最前沿的框架核酸、生物納米機器人研究，核酸作為分子工具仍然廣受關(guān)注。劉剛的博士研究，聚焦于核酸分子在電化學傳感界面的自組裝、構(gòu)型構(gòu)象調(diào)控和傳感模型設計。這個研究方向既包含了分子構(gòu)型變化理論預期設計，又需要基于電化學分析裝置、材料，開展實驗結(jié)果的探索和驗證。研究過程有很多困難需要克服，為了拓展多通道電化學傳感方向，劉剛和導師一起從頭動手搭建檢測裝置，設計試驗方案每一個細節(jié)，最終的成果發(fā)表于著名化學期刊《美國化學會志》（JACS）；為了實現(xiàn)納米電極核酸組裝，劉剛赴廈門大學田中群院士課題組學習材料制備，回到課題組之后，發(fā)展了納米界面核酸組裝和檢測，成果發(fā)表在納米材料頂級雜志《先進材料》（Advanced Materials）。作為一個“愿意動手嘗試的工科生”，劉剛非常喜歡這樣的研究工作，最終也以中科院百優(yōu)論文的成績順利結(jié)束博士學習。科學研究的前沿探索充滿未知的挑戰(zhàn)，需要沉心靜氣的思考，持續(xù)不斷的嘗試，當然也需要一點點運氣。

筆者曾在十幾年前對樊春海老師做過啟明星訪問，當時就對應物所（其前身上海原子核所）李民乾、胡鈞、樊春海等一批科學家矢志于分子操縱、生物傳感、納米科技等交叉科學研究的見識、勇氣和取得的成就倍感興奮。這次有機會“逮”到樊老師的第一位碩博研究生劉剛，馬上就想讓他談談當年受業(yè)于樊老師的一些感受?！拔沂欠蠋熥钤绲膱F隊成員，從最初連組會報告都戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的學生，到離開團隊組建自己的課題組，直到現(xiàn)在仍然和樊老師有密切的合作，導師對于我學習與工作生涯的影響非常大，無法用只字片語來總結(jié)。回想起來最重要的是兩個方面:第一，老師帶我進入了一個新的核酸生物傳感學科，建立全新的知識體系，開闊了視野，這也是當下我們開展核酸生物計量研究的一個重要基礎(chǔ)；第二，學習如何選擇有意義的研究方向，怎么做出有價值的科研成果，不僅要時刻跟蹤世界前沿領(lǐng)域，了解科學發(fā)展方向，從而知道學科發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和創(chuàng)新意義所在，同時還要關(guān)心社會需求，讓科學研究真正支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。樊老師經(jīng)常會引用《易經(jīng)》中的 ‘取乎其上，得乎其中’ 的話，讓我們永遠要有一個高于現(xiàn)實的目標，這些年來我就是一直按照老師的要求在激勵自己?！?/p>

同樣，無論在實驗室創(chuàng)建之初搭建科研團隊時，還是后面的實驗過程中，劉剛對科研的領(lǐng)悟能力和動手能力給樊春海留下深刻的印象，讓他預見到了劉剛從事交叉科學研究的潛質(zhì)。這其中就包括了劉剛讀博時就涉及的核酸分析領(lǐng)域的工作。

2009年，博士畢業(yè)的劉剛來到上海計量院，希望通過計量標準的連接，推動核酸生物傳感前沿成果的技術(shù)應用，這與當時方興未艾的生物計量研究需求不謀而合。從那時起劉剛開始了一個全新的生物計量實驗室的搭建?！傲恐邓菰词峭ㄟ^一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果或測量標準的值能夠與規(guī)定的參考標準（通常是國家計量基準或國際計量基準）聯(lián)系起來的特性。生物計量研究則主要關(guān)注生物定量測量的準確性和可靠性，其目的是通過研發(fā)高度準確的參考測量方法和生物標準物質(zhì)，使得生物測量結(jié)果可以直接溯源到國際單位制（SI），實現(xiàn)量值統(tǒng)一。如果把“核酸測量”過程比作“用天平稱量物品”，那么核酸標準物質(zhì)就是可靠的“砝碼”，它把準確的量值傳遞到檢測實驗室，實現(xiàn)測量工具的質(zhì)控和溯源。

核酸標準物質(zhì)攻堅，在學科交叉的界面“閑庭信步”

核酸檢測是預防病原微生物侵害的關(guān)鍵防線，因此其結(jié)果準確性非常重要，按照ISO17511，歐盟Directive 98/79/EC，GB/T 21415等國際國內(nèi)標準/導則要求，建立量值傳遞有助于實現(xiàn)檢測結(jié)果準確可追溯，可以從根本上提升室間一致性，結(jié)果可靠性，避免公共衛(wèi)生安全領(lǐng)域出現(xiàn)誤判、錯判導致的安全事件和經(jīng)濟損失。然而病原微生物核酸檢測領(lǐng)域的計量溯源是生物計量學科的重大挑戰(zhàn)，計量溯源體系還有待建設，高靈敏度、高準確度的核酸絕對定量方法以及微生物核酸標準物質(zhì)都很缺乏，病原微生物核酸濃度溯源到國際單位制的過程存在困難。為建立病原微生物核酸計量溯源鏈條，劉剛帶領(lǐng)課題組開展了系統(tǒng)的計量溯源研究，包括核酸參考測量方法，病原微生物核酸標準物質(zhì)，核酸分析儀器計量校準應用等，尤其是疫情期間，緊急研制新冠病毒RNA標準物質(zhì)，解決試劑盒質(zhì)控的技術(shù)難題，在公共衛(wèi)生領(lǐng)域廣泛應用并得到良好反饋。

新冠病毒RNA國家級標準物質(zhì)

核酸標準物質(zhì)研究是生物計量領(lǐng)域的科研制高點，也是劉剛2009年加盟上海計量院后就希望做的事。十年耕耘，成果累累。但如果不是這次新冠疫情牽引出的核酸檢測質(zhì)量的認定難題，上海計量院生物計量團隊所做的工作或許不會為公眾所了解，生物計量的價值也不會被更多的人所知悉。趁這次采訪劉剛星友的機會，我們對劉剛及其團隊在生物計量領(lǐng)域所做的工作及其突出成績給讀者做簡要介紹。

劉剛所帶領(lǐng)的上海計量院化學所生物計量實驗室主要工作是系統(tǒng)研究生物分析領(lǐng)域量值溯源方案，包括生物樣品標準物質(zhì)研制以及生物儀器計量校準能力建設，最終為生物分析檢測實驗室提供方法、樣品、校準服務。到目前為止，實驗室成果發(fā)表SCI論文30余篇，3次獲得省部級科技獎勵。被評為上海市市場監(jiān)管局科技創(chuàng)新團隊和上海市青年突擊隊。劉剛本人先后承擔或完成國家級科研項目3項，省部級科研項目6項，并受到4項上海市人才基金資助，發(fā)表學術(shù)論文25篇，申請發(fā)明專利10項。

團隊研究高效液相色譜核酸純化、鑒定，研究核酸樣品的保存條件，開展多方法、多實驗室比對驗證，首次以理化分析和生物分析相結(jié)合的方案實現(xiàn)標準物質(zhì)定值。獲批15項病原微生物DNA標準物質(zhì)（5項國家一級標準物質(zhì)GBW09850至GBW09854，10項國家二級標準物質(zhì)），填補國內(nèi)空白，準確度和穩(wěn)定性優(yōu)于國際同類標準物質(zhì)。

新冠疫情期間，研制新冠病毒RNA標準物質(zhì)2項：GBW(E)091111和GBW(E)091112，為新冠核酸檢測計量溯源和質(zhì)量控制提供支持。他們的工作受到上海市市場監(jiān)管局和上海計量院大力支持，獲得多項科研經(jīng)費資助：上海市科委新冠專項、上海交大“新型冠狀病毒防治攻關(guān)專項”、轉(zhuǎn)化醫(yī)學國家重大科技基礎(chǔ)設施（上海）以及上海計量院自籌項目。研制的新冠病毒RNA標準物質(zhì)已經(jīng)應用于多家企業(yè)、高校和醫(yī)院，包含捷諾、上海小海龜（有RT-qPCR和數(shù)字PCR兩種方法）、上海速創(chuàng)（LAMP等溫擴增）、之江、伯杰、天篩（上海）、江蘇碩世、蘇州天隆生物、瑞金醫(yī)院、廈門大學、湖南大學和上海交大生科院等，為臨床診斷獲取準確的RNA測試結(jié)果提供有力的計量支撐，也為國產(chǎn)核酸試劑的質(zhì)量能力提供可靠的證明。

基于方法和標物研究成果，團隊建立多種分析儀器的計量校準能力，突破病原微生物核酸儀器校準瓶頸，為公共衛(wèi)生領(lǐng)域核酸定量分析儀器和試劑盒提供校準服務，應用涵蓋實時熒光定量PCR、細菌麥氏比濁儀、全自動微生物定量分析儀、菌落計數(shù)儀等校準工作，至今開展計量校準服務2 500臺次，服務用戶600多家次，其中包括疫情期間多次為抗疫一線實驗室和企業(yè)提供計量校準服務。

“為核酸檢測提供標準物質(zhì)本身就是我的份內(nèi)工作。取乎其上，得乎其中。我只是為自己的工作設了一個略微高于現(xiàn)實的目標?！毙鹿谝咔樽屛覀冇袡C會了解上海計量院星友（劉剛博士及其團隊成員聞艷麗博士）在生物計量領(lǐng)域所做的開創(chuàng)性工作，也知道了上海交大樊春海院士一直不忘將前沿生物分析技術(shù)與生物計量研究相結(jié)合，是科學技術(shù)惠及民生的典型示范。在此也代表本刊的廣大讀者向為抗疫做出特殊貢獻的劉剛博士及其團隊表達深深的敬意！

侯璟瓊、江世亮采寫于2020年6月22日