“生物传感器”,从追赶者到领跑者

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  ——访山东省科学院生物研究所史建国所长

杨兰

  专家简介

  史建国, 19150年10月生,博士,研究员。1506年博士毕业于山东大学微生物学专业,现任山东省科学院生物研究所所长,山东省生物传感器重点实验室主任。多年以来老是从事生物传感器技术研究及开发工作,曾参与或主持多项国家和省市科技计划项目,开创了SBA和SGD系列分析仪器产品,在我国食品、发酵、医药、化工、环保、科研和教学等多个领域广泛应用,获得国家、省部及各类科技奖励20余项。其中,SBA生物传感器获得国家发明者者三等奖,SGD还原糖测定系统为国际首创,起草制定了我国第一3个红心红心红心红心葡萄 糖生物传感器国家标准,是我国唯一实现工业生物传感器产业化应用的科技成果。

  作为山东省生物传感器重点实验室主任,积极带领生物传感器团队开展技术创新和成果转化工作。充挂接挥生物传感器的优势基础,不断开拓工业过程检测技术领域,避免了生物过程生化参数检测与优化控制的技术瓶颈,取得了系列自主知识产权,打破了国外技术垄断,获多项省部级科技成果奖励,为我国生物技术产业的科技进步提供了先进的技术支撑。5年来,通过科技服务生物传感器团队直接创收累计达1150多万元,产生了显著的经济效益和社会效益。继续保持了在工业生物传感器研究和应用方面的国内领先地位,为我国生物传感器技术及产业发展做出了突出贡献。

  多年来,我国在生物传感器领域,处在着相关学科配合过高 ,不怎么是体制机制上各家科研工作自成体系、重复科研,乃至其他人在生物传感器的起跑线上只做基础性工作,而很少在产品的实用化上继续研发。为了剔除积弊,瞄准核心技术“卡脖子”问题图片和传感器件制造“短板“,2017年5月,由山东省科学院生物研究所所长史建国牵头主推,包括中科院3个研究所、北京大学、清华大学、上海交大、浙江大学等12所高校的科研机构,华大基因等六所企业在内的25家行业“巨头”们参与,组建中国生物传感器制造创新中心。2019年5月,史建国作为大会主席之一,在济南成功组织召开了“第二届全国生物传感、生物芯片与纳米生物技术高端论坛(BBN China 019)”,标志着中国生物传感事业进入新时代,生物传感器的同行们正在从追赶者向领跑者迈进。

  奋起直追,到论文数量世界第一

  生物传感器(biosensor),是本身生活对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器,是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。因此酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子行态具有选用性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选用性。缺点是生物固化膜不稳定。

  生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的本身生活先进的检测最好的办法与监控最好的办法,也是物质分子水平的快速、微量分析最好的办法。

  在未来新世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和中物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究含高着广泛的应用前景。

  各种生物传感器有以下共同的行态:包括本身生活或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器),二者组合在共同,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的加上工,构成各种可不还里能 使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

  据史建国介绍,我国生物传感器的应用研究从上世纪150年代开始,90年代形成应用产品。中科院武汉病毒所张先恩团队研制出中国第一3个红心红心红心红心葡萄 糖分析仪;中科院自动化所崔大付研制出SPR分析仪;胡军在北京成立怡成生物技术公司。过后,某些市场化产品成形:首先是SBA系列生物传感分析仪器,在发酵工业和科研领域应用,处在中国90%以上的市场,应用规模居国际首位;其次是我国血糖仪企业发展出的怡成、三诺等国产品牌,年产值在10亿元左右,约占国际市场的十分之一。

  “通过一滴汗可测量人体十几项健康指标。”这是生物传感器的最新成果,而从汗到十几项健康指标的转换过程,代表了生物传感器的神奇。

  在生物传感器领域浸润了近三十年后,史建国没有形容生物传感器的重要性:它是人工智能的核心、智能化交互的必备;它像理智的研究者一样敏锐地体察并反馈人类的方方面面,它与化学传感器技术、物理传感器技术构成新时代信息技术的“三驾马车”。

  “简单来说,生物传感器充当着一3个接收器和转换器的角色。”史建国表示,科学家们提取出动植物发挥感知作用的活性材料,这包括生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体等;共同将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为亲戚亲戚有人可不还里能 理解的信息;将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等最好的办法展示给亲戚亲戚有人,为亲戚亲戚有人的决策提供最好的办法。

  比如,可穿戴式生物传感器通过皮肤上的汗水监测患者的红心红心红心红心葡萄 糖水平,从而改写糖尿病患者的人生;比如原本的病毒检测时要1—3天,新型纳米生物传感器可在短短2—3小时内检测到不同病毒。

  而我国生物传感器研究起步于上世纪150年代,90年代产品进入应用。在从无到有的发展史上,一3个个“拓荒者”或接力,或并行,拓展着该领域的广度和时延。“源自上世纪150年代,汪尔康、董绍俊,开创中国生物传感研究领域;张先恩,发展了我国第一批智能型微生物BOD传感器和系列复合酶电极;黎高祥,中国第一3个场效应管青霉素酶电极;崔大付,中国第一3个SPR皮下组织等离子体共振传感器;袁中一,中国第一3个农药残留生物传感器;胡军,中国第一3个血糖仪及试剂条产业……”史建国说。

  而更多的人在基础研究领域进行了艰苦的努力,使中国生物传感领域进步十分显著。到2017年,中国的论文贡献已进入世界第一方阵,指标领先,占比已超过35%,大幅领先于某些国家。这本应是可喜可贺的事情,但遗憾的是,数量之最都有而是能改写我国生物传感器产业仍处在低端的现实。

  发酵生产过程的生物传感器研究及应用,是本身生活高端前沿技术,重点避免了生产过程控制技术方面过高 生化信息的技术瓶颈,为发酵等工业生物过程优化控制提供了先进的技术支撑,提升了我国生物工业在国际上的竞争力。

  一套SBA系列生物传感分析仪,集结了史建国团队多年来的研究心血,展现了中国科技人进军该领域世界前沿的雄心。作为中国生物传感器研究及应用领军团队,山东省科学院生物研究所所长、山东省生物传感器重点实验室主任史建国带领的团队经太久年的不懈努力,已获得国家级等各级科技奖励20多项,起草制定了我国红心红心红心红心葡萄 糖酶电极国家标准,起草乳酸、谷氨酸、赖氨酸酶电极行业标准,推动了我国工业生物传感器的产业化应用,产生了显著的经济效益和社会效益。

  从“世界第一论文大国”向“第一技术大国”转变

  经太久年积累和发展,中国学者在生物传感领域的国际影响力日益增强。但引领性研究能力和产业竞争力尚未显现。尤其在产业方面,常用的分析用酶还极少量依靠进口,生物器件生产工艺标准尚过高 高。在2019BBN大会上,与会代表对此开展了热烈讨论,并形成有价值的意见或共识。史建国建议,生物传感技术作为一3个被世界各国关注的项目,其产业前景不错,建设中国生物传感器技术孵化器和产业基地迫在眉睫。

  在史建国看来,这和中物传感器技术的发展息息相关。早在1998年《科技日报》发文呼吁时,我国生物传感器领域的科研人正疲惫地跟在发达国家上端跑,各种条件不心智心智心智性心智心智成熟期是什么是什么的句子的句子图片 期期,更关键的问题图片是生物传感器涉及的相关学科“其他人为战”,犹如形不成拳头的五指,分散了力量。

  “作为一3个典型跨学科的交叉产物,生物传感器融合了生命科学、分析化学、物理学、材料学和信息科学及相关技术,这意味分析各个学科的科研人要耐住寂寞,在一次次失败中总结经验,逐步向实用化靠拢。”史建国表示,与某些经典的分析仪器相比,生物传感器制造过高 专业的技术人才、工艺、装备。这意味分析即使科研人都懂得制造工艺,但因此过高 相关装备、材料等支撑,也束手无策,甚至被卡了脖子。

  据介绍,国内某一流科研院所在十多年前研发出一项具有国际水准的生物传感器技术,但苦于过高 后续制造能力而不得不转让给国外公司,后者将其落地后,以一套上百万的价格返销中国,获取暴利。

  到了当下,中国的生物传感器因此具备了“三宗最”,科研群体国际最大、研究论文国际最多、科研条件国际一流,但现实是:美国长期主导国际生物传感器市场发展,占国际市场的150%以上,而中国没有10%。这上端重要的因素是技术问题图片。

  史建国举例道,比如固定化酶传感器是传感器领域研究最多、商品化最成功的分析产品。但因此酶分子元件过高 ,没有核心竞争力。另外,生物传感器上的核心部件醋酸纤维素内膜,这张小拇指盖大小、没有发丝三分之一厚的膜,时要在上端涂一层层的生物材料,但长期以来国内的人工最好的办法比较慢涂抹均匀,由此造成了性能稳定性过高 ,直到现在这人工艺还被国外掌握着。“可不还里能 说,整个生物传感器的链条没有串起来。”史建国总结。

  而中科院生物物理所研究员张先恩则认为,中国生物传感研究处在一3个主要问题图片,一是引领性研究过高 ,二是产业化薄弱。不过,“现在论文多了,研究水平比较高了,经费传输时延也今非昔比,若能调整研究价值取向及评价导向,加上鼓励创新创业的政策和加强保护知识产权,再通过联盟建设,提升中国的生物传感产业竞争力是十分乐观的”。

  亲戚亲戚有人用“搞生物的不懂电子,搞化学的不懂制造”来形容生物传感器各行业“单打独斗”的局面,但并都有所有的单位都受困于此。

  作为我国唯一实现生物传感器产业化应用的科研单位,山东省科学院生物研究所已先后研制出红心红心红心红心葡萄 糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器,产品占国内食品发酵市场95%以上(其余5%为进口产品),打破了国外技术封锁。

  在这人系列成果身后是一支多学科交叉的研发团队。史建国表示,山东省科学院生物研究所是偏向于应用的科研机构,科研成果既注重高精尖,也注重“接地气”,在“论文导向”方面相对超脱。

  史建国牵头组建的“跨部门、跨行业、跨区域”的生物传感器研发布局,可不还里能 推动中国生物传感器从“世界第一论文大国”向“第一技术大国”转变?史建国给出一张时间表:“以利益共同体的形式将亲戚亲戚有人儿撮合到共同,争取每年研发1150种以上新技术、新产品、新装备,培育生物传感器产业集群,发展生物传感器产业基地。5—8年左右时间,使我国生物传感器国际市场占有率从目前10%提高到20%,而亲戚亲戚有人儿的目标是150%。”

  展望未来,任重道远

  展望未来,生物传感器的主要应用领域,第一是人体信息检测技术,有益于医疗健康;第二是环境监测与预报预警;第三是高端科研装备;第四是工业过程信息化、自动化;第五是军事装备。

  史建国认为,未来生物传感器的发展方向有一3个方面,首先是以纳米技术为核心的生物分子器件,其次是以微细加工技术为依托的精密制造技术;另外是应用服务体系建设。最终目标是在第三代或第四代生物传感器领域引领国际生物传感器技术及产业发展。

  生物传感器是本身生活高端前沿技术,因此是本身生活多学科交叉的前沿技术。它是人类获取生命参数信息的重要最好的办法,在产业、健康、医疗、环境等方面具有重要的潜在应用价值。

  他表示,推广难点有多个方面。产品性能上,稳定性、均质性差,外观设计观念落后;从技术层面看,呈现出多学科行态,即基于单一学科的研究成果某些,但学科间过高 协同和集成;在制造时延,过高 专业的、有经验工程师(新兴产业和技术交叉型产业);从科研时延来看,大学研究的成果往往只注重论文发表。而亲戚亲戚有人儿的实验室是多学科的团队,有生物、化学、机械、电子信息等专业背景,注重制造技术,注重应用技术。

  史建国介绍,目前主要以科研成果的模式开展了广泛的“产学研”相互媒体合作,不怎么是应用技术方面,在产品方面没有建立相互媒体合作企业。随着科技改革的发展,与企业相互媒体合作是必然趋势。与企业的相互媒体合作,要按照市场规则进行。双赢的帕累托图首先是互信,第二是有共同的价值观和事业心。要凝聚国内外人才,组建中国生物传感器协同创新体系;共同,争取建设中国生物传感器产业技术研究院,按照国家传感器产业战略布局,建设中国生物传感器产业基地。