傳感領域的“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，假如早期診斷系統可以像夏洛克·福爾摩斯一樣洞悉一切、將危機預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”的不是某位知名醫師，而是世界著名化學生物傳感器專家、俄羅斯工程院外籍院士， 國家”千人計劃”特聘教授、北京科技大學化學與生物工程學院院長張學記。

“執拗”的“大牛”

在北科大，為人謙和的張學記教授仍然被稱為“大牛”。學生們常說：“聽聽張教授的‘牛人牛事比吃飯更有營養。”

確實，他的科研履歷精彩至極——早在1994年讀博時，他研發的納米傳感器就獲“中國大學生應用科技發明大獎賽”特等獎；自1989年投身生物化學傳感器件研發至今，已開發出30余種相關產品，被全球100多個國家廣泛使用，創造近億元的經濟效益；留學美國期間，開發的微型化自由基電化學檢測系統，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《美國化學會志》《分析化學》等國際一流學術刊物上發表論文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“執拗”。

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

旁人眼中的意外，對他而言是再自然不過的選擇：“科學是沒有國界的，但科學家有自己的祖國。從小學念到博士，整個教育階段我幾乎沒有花家里的錢，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，在我內心深處，也從未改變過報效祖國的愿望。我們的先賢也曾經講過，為天地立心，為生民立命，為往圣繼絕學，為萬世開太平。作為新一代的知識分子，我們更應該有這份責任，這樣一份情懷， 為祖國的繁榮和富強做出自己的一份貢獻。”

如果癌癥預警可以提前18個月

2009年10月，張學記作為中組部“千人計劃”引進人才進入北京科技大學工作，著手組建生物工程與傳感技術研究中心。進校第一天，他就給自己定下了目標：抓科研、帶學生，致力于把科研成果產業化，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，選準方向。留美期間，張學記接觸的多為精密儀器、傳感器件、新材料領域，但基于知識產權和保密制度，回國后一切都要重新開始。發自那一片“為萬世開太平”的初心，他將科研方向瞄準了生物醫學工程，尤其是病魔之王——癌癥的早期檢測。

是的，這片領域是與死神和魔鬼抗爭的世界。近年來，全球平均每8個死亡病例中就有1人死于癌癥，比艾滋病、結核病和瘧疾導致的死亡人數總和還要高。在我國，惡性腫瘤儼然成為了威脅國人健康的最大殺手，數據顯示，近年來全國每10萬人中就差不多有285個人發病，每年新發腫瘤病例約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。張學記向記者介紹道：“我國癌癥的發病率和死亡率都超過了世界平均水平，大量臨床數據顯示，大部分的腫瘤患者在目前的影像學檢查確診時，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、顱內腫瘤等的發病率還在呈現逐年上升態勢。在這種背景下，防患于未然就顯得尤為關鍵了。”

作為一種進行性發展疾病，惡性腫瘤的某些重度癌前病變可以維持相當長的時間，預防得當就有可能阻滯、延緩腫瘤的發生。舉例來說，按照目前的醫療水平，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，目前的現實狀況是，臨床醫學上所采用的各種檢測手段很難滿足腫瘤的早期診斷需求。

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

基于傳感技術的癌癥早期診斷系統由此立項，目前已經得到了國家藥監局的臨床實驗許可，進行了3萬多次的臨床試驗。這個系統可以在腫瘤形成之前提前18個月進行早期預警，毋容置疑，一旦它應用于臨床，將成為世界醫學領域的重大突破。為了更好地進行臨床實驗，經上級批準， 張學記兼任301醫院臨床生化部副主任。

造就癌癥預警領域的“神探夏洛克”當然不是一蹴而就的。除了扎實的專業功底、卓越的研究團隊，張學記更視“創新”為科研的靈魂。他常說：“創新有兩個重要因素，一是興趣，二是有需求，正所謂興趣驅動，需求牽引。”這項由需求牽引的成果，借助納米技術和微加工技術，結合酶催化放大、納米技術放大、現代生物放大技術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，綜合應用了電化學傳感、固體納米通道、多模成像分析、光學生物傳感、光電化學傳感、質譜成像技術及微透析技術等多種手段。其中，生物傳感與成像新策略構筑了新型生物傳感界面，設計出具有高穩定性、可控性和高選擇性的分子識別與信號提取及放大體系，發展了高靈敏性、高選擇性、時空分辨的傳感與成像技術。這在建立具有自主產權和原創性的分子診斷平臺等方面均顯示出獨特的優越性，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和關鍵技術。

用5年時間打造精英團隊

北科大生物工程與傳感技術研究中心并不大，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業化，商業化，應用于實際，應用于社會。

中心籌建過程中，張學記遇到過很多棘手的問題——人員少、資金短缺、實驗場地不足，創業不可謂不艱辛。即使有各級領導和學校的大力支持，實驗室從無到有、從小到大，也都必須做到事無巨細、樣樣關心。

為了打造一流的科研團隊，他從海內外多所著名院校引進了多名化學、生物、醫學、計算機專業的科研人員，還依靠北科大材料、化學、生物等實力雄厚的重點學科，以學科交叉、融合為思路，著力搭建一流的學術研究平臺。他說：“要想成為一流的大學，一流的企業，一流的國家，最重要的是要有一流的人才。一流的設備可以買，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。”

與吸納人才相比，培養人才更加耗費心神。“我發現很多研究生都不敢去創新，因為博士生畢業有在核心期刊發3篇論文的硬指標，而實際上有時侯做一個真正的創新性的研究需要5年或更長時間。如果真去做原始創新，許多學生恐怕都畢不了業。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慣、培養團隊的國際視野，中心陸續建立了定期研討會和學術匯報制度，并大力搭建國際交流平臺。他邀請多名國際著名科學家， 發達國家科學院院士， 包括諾貝爾獎評委， 諾貝爾獎候選人擔任北京科技大學名譽教授；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伯克利分校、加州大學圣地亞哥分校、日本東京大學、日本京都大學、弗吉尼亞大學、歐洲大學及研究所學習交流。

為了引導更多有創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和美國大學教授為夏季小學期授課專家，張學記本人也在百忙之中專門為本科生開設了課程。他在課堂上說：“自由創新、善于發現、科學思維，要在科學研究道路上越走越遠，勤奮才是真正的智慧。”據說，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。最讓學生們佩服的是，他能把枯燥的生物化學傳感、自由基化學分析等課程，講得像故事一樣吸引人。

經過5年來的悉心耕耘，如今中心已經發展成為一個以納米生物傳感技術、生物能源、生物醫藥和產業化研究推廣為主要研究方向的前沿基礎研究基地、人才培養基地和技術創新基地。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。

研究團隊以發展傳感技術為特色，目前已扎根生物分析化學及生物傳感器件等研究領域，以分子識別為基礎，從生物傳感界面構建、傳感信號放大機制以及傳感基礎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建等諸多領域做出了一系列有意義的工作。相關成果被發表在Chem Rev.，JACS，Angwe. Chem.Int.Ed.，Adv.Mater.，Anal. Chem.，Chem. Commun.，Bioelectrc.Biosen.等知名學術刊物上。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。

在張學記的主持下，中心與日本東京大學、美國哈佛大學、加州大學、南佛羅里達大學、瑞士聯邦理工、瑞典大學、斯洛文尼亞國立化學研究所等10余所國外大學、研究機構及多家國內外企業建立了合作關系，承擔國家自然科學基金課題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：在復合納米結構材料探針的組裝、化學傳感機制和高靈敏傳感技術方面發展了一系列性能優異的生物傳感器；在仿生納米材料制備和仿生生物界面構建等多方面取得了多項創新性成果；受鼻粘膜中分形結構的啟發，實現對凝血酶的快速靈敏檢測，發展了高靈敏腫瘤標志物檢測技術；在納米傳感界面的構建基礎之上，發展了一系列高效生物分子探針的設計策略；以電化學技術和熒光技術為手段，建立一系列可以快速、方便和靈敏檢測核酸片段的新方法；通過集細胞轉染和胞內分子高效識別多功能納米探針的組裝，實現了腫瘤細胞內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研究中心被評為北京市重點實驗室。

未來的任務是成果孵化

在搭建團隊的同時，張學記身先士卒，承擔了多項國家級科研項目。其中包括國家“千人計劃”項目、國家自然科學基金委基礎儀器專項項目“新型高分辨掃描電化學顯微鏡的研制”，國家自然科學基金委面上項目“納微一氧化氮電化學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北京市重點實驗室2013年度科技創新基地培育與發展工程專項項目”等，取得了豐碩的研究成果。

其中，在免疫分析、納米生物傳感、細胞分析化學和臨床分子診斷以及微流控分析等方面，他創新性地提出溶膠、凝膠氣相沉積法和4種多分析物免疫檢測的分辨新概念，構建了一系列免疫分析新原理；研制成多種原創性的納米生物傳感器；建立了極高靈敏度的PCR-電化學檢測方法；開辟了納米量子點電化學傳感新領域。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、生物電化學與生物光譜等研究工作；致力于發展高靈敏度、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控，發展新一代生物檢測技術。

其次，在微納型化生物醫學工程技術領域，進行了微流控芯片分析器件的構建、納米醫學智能化藥物載體、納米駐極體器件的分析研究。其中微流控芯片個性化醫療抗腫瘤藥物篩選平臺可以實現四大效果：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果分析，能夠對多種給藥條件進行結果分析。三是在圖像分析之后能夠將單個細胞團塊進行基因表達的分析研究，從而發現細胞產生耐藥性的機理。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建。納米圖案化與駐極體器件是非傳統微納米圖案化技術的開發及其在生物、化學傳感及能源器件上的應用，基于駐極體材料的自組裝和聚合物刷的制備與應用。

同時，張學記還致力于開發智能化傳感界面構建技術與方法，主要包括仿生界面的構建與應用及表面增強拉曼界面的構建與高效的檢測分析。以生物傳感應用為導向，合成多種生物納米材料，將生物傳感與納米技術相結合，通過納米組裝與分子識別作用，開發多種原創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，基于天然粘土和聚電解質制備了仿珍珠層薄膜，該薄膜表現出優異力學性能、良好的水下超疏油性質和優異的環境穩定性。

此外，隨著信息化時代的來臨，生物識別技術作為信息安全和個人身份識別技術越來越受到人們的重視，已成為國際上身份鑒別領域的研究熱點，其中指紋識別技術是最成熟、準確、價格低廉和容易使用的。為了探索基于電化學原理的指紋傳感技術中的實驗和理論應用基礎研究，他建立和發展“電化學指紋傳感器”的新概念和新方法，解決現有光學或半導體指紋傳感技術對如紙幣、紡織物、皮膚以及復雜彩色背景材料等表面的指紋不能傳感或傳感質量差的問題，張教授著眼于新材料、新傳感技術在法醫學證據采集方面的拓展，如潛指紋顯現及圖像采集技術。最近， 張學記又將研究向第二代生物識別技術——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一樣，張學記關注的每一個項目，都更重視研究成果的產業化。他說：“創新包括原始創新、基礎應用研究、產業化商業化等多個環節，要讓成果轉化必須要專業的轉化平臺和孵化器，需要既懂科技又懂管理的復合型人才。”利用我國資源優勢和市場優勢“產學研”結合，加速度開展化學生物傳感器及其測量系統的市場化探索，是他給自己設置的主要課題之一。為此，2015年，在中央有關部門的領導和支持下，張學記牽頭創立了中國生物監測監測產業創新聯盟并任理事長。

回國5年多來，張學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；申請發明專利25項，獲得國家授權專利13項；在國際著名學術研究期刊發表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，經中央提名，張學記當選成為“千人計劃”科學家中唯一一位中共十八大代表。2013年， 當選為俄羅斯工程院外籍院士，2014年當選為英國皇家化學會會士，中國化學會理事。2015年，當選為國際傳感器科學會議主席。

這位曾經的瑞士杰出留學學者獎、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，往往掛結在愛國主義這棵常青樹上”。