我国研发的生物传感器专利被卖到国外 每年从中国获利上百亿

上世纪90年代,我国研发出了国际首个SPR表面等离子体共振传感器,申请专利后,因生产出的仪器非常大,且无法保证传感器稳定性。后该专利被卖到国外,多年过去,该国外厂家在SPR传感器领域成了国际“老大”,每年从中国获利上百亿元。

  据《科学中国人》杂志最近报道,国际上,生物传感器起源于一种被称之为“隔离式氧电极”的检测方法,由美国教授Clark于1956年首次提出,1962年证实了葡萄糖氧化酶(GOD)与氧电极结合进行葡萄糖测定的可行性,第一代生物传感器应运而生。从20世纪70年代中期至整个80年代,生物技术、生物电子学和微电子学不断渗透、融合,使生物传感器理论和方法不断扩展,形成了生物传感器学科领域。1990年,首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开,标志着生物传感器已形成一个新兴的科学技术领域。

我国研发的生物传感器专利被卖到国外 每年从中国获利上百亿

生物传感器,资料图

  生物传感器技术研发的重要性

  现代工业体系需要很多传感器,总的来说,包括物理传感器、化学传感器和生物传感器。如果没有传感器,许多工业的自动化和智能化就无法实现。可以说,生物传感器充当着一个接收器和转换器的角色,科学家们提取出动植物发挥感知作用的活性材料,比如生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体等,再将这些生物元件感受到的持续有规律的信息转换为人们可以理解的信息,通过光学、压电、电化学、温度、电磁等数据信息展示出来,为我们的科研和生产生活提供决策依据。

  在过去的30年里,山东省生物传感器重点实验室主任史建国致力于生物传感器的技术研发。在他带领下,山东省生物传感器重点实验室起草制定了我国第一个葡萄糖生物传感器国家标准,先后研制出的葡萄糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器,不仅建立了生物传感器在工业环境下运行的实验方法、操作规程、配套试剂及培训服务体系,还彻底打破了国外技术垄断,为我国生物传感器技术及产业化发展做出了突出贡献。

我国研发的生物传感器专利被卖到国外 每年从中国获利上百亿

史建国在澳大利亚考察时留影,图自《科学中国人》杂志

  工业生物传感器国产化应用的唯一科技成果

  在过去30多年里,史建国参与或主持了多项国家和省市级科研项目,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。其中,SBA生物传感器获得国家技术发明奖三等奖,SGD还原糖测定系统为国际首创,起草制定了我国第一个葡萄糖生物传感器国家标准,这也是我国目前唯一实现工业生物传感器产业化应用的科技成果。

  在过去多年研究中,山东省科学院生物传感器重点实验室主要从事工业领域的生物传感器研究和应用工作,是我国唯一实现生物传感器产业化应用的科研单位。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。

  在史建国看来,面向中国的工业发展,实验室能做的还有更多。未来他将带领团队在环境、食品安全、医疗,以及可穿戴式生物传感器领域,加快生物传感器的技术转化。

  不仅如此,以前研发的生物仪器都是离线的,需要人工把样品从车间拿到化验池去。而现在,他要将生物传感器搞成在线的系统,这意味着,在未来的生产车间,产品检测可以与生物传感器直接结合,通过人工智能自动取样。

  如今,史建国正带领团队,将生物传感器往在线检测、原位检测、自动检测的方向发展,把物理和化学的传感器进行信息技术集成,通过大数据平台做分析,最终形成自动检测、智能分析、智能控制的传感体系。而今,这一平台性项目的建设已经卓有成效。

  我国生物传感器的产业化应用曾让人捶胸顿足

  谈及中国生物传感器产业化发展上,远远落后于美国和北欧国家的现状,史建国有着深刻的体会,一直以来,中国在生物传感核心器件的制造上仍相差甚远,许多都是靠我们手工做出来的。这就像烤比萨、做馅饼一样,做完以后发表论文,感觉“很好吃”,但是里边的成分、组合的排列等都没有数据,全部靠手工摸索,下次再做就不一定能重复制造出来。

  在生物传感器的产业化应用上,史建国举了一个让人捶胸顿足的例子。

  20世纪90年代,中国科学院某研究所研发出了国际第一个SPR表面等离子体共振传感器,申请了专利后交给一个仪器厂生产,生产出的仪器非常大,并且一直无法保证传感器的稳定性。后来,这个专利被辗转卖到了国外厂家,多年过去,该国外厂家的产品在SPR传感器领域成了国际“老大”,每年从中国获利上百亿元。

  虽然SPR分析仪最早是中国人研制出来的,但我们企业受限于诸多因素,无法做出好的产品。我国为数众多的生物传感器研究机构也都面临着深入研究稳定的生物传感器,并把它们在实践中应用的困境。

  我国生物传感器发展仍存在严重的掣肘问题

  尽管经过多年努力,中国的生物传感器发展已有了很多优势,不仅有着国际上最多的生物传感器研发团队,实验室遍布各大科研院所和大学,不亚于美国、澳大利亚、英国等西方国家,科研条件国际一流,而且中国在生物传感器领域发表的高水平论文,如今也处于国际前列。

  然而,论文的高质量却掩盖不了制造水平的差距。史建国说,在核心器件与核心元件上,中国的生物传感器发展仍存在着严重的掣肘问题。在传感核心器件的制造水平上,我们还差得非常远,这是我们的短板。生物元件如酶、蛋白、核酸等,我们还是要大量依靠进口。虽然国内也有企业能够生产,但是性能却不能和国外的产品相提并论。

  制造水平的差距,折射的仍然是中国的生物传感器研究上相关学科无法有效融合、体制机制上各家科研工作自成体系的历史性难题。就像不能握成拳头的五指,分散了力量。史建国说,早在20年前,这一问题就已经被院士专家们关注,呼吁要加强交叉学科的协调,但却收效甚微。

  我国生物传感器发展必须打造国家级中试平台

  幸运的是,中国生物传感器研发中交叉学科协调难的问题,终于迎来了一个历史性的拐点,2018年6月,中国生物传感器制造创新中心在史建国的呼吁下终于成立。创新中心的成立,瞄准的是生物传感器领域的关键前沿难题,在交叉学科的融合中,实现关键技术的攻关。而在史建国的长远计划中,中国传感器的发展,还必须打造一个国家级的中试平台。如今,这一平台的建设已经提上日程。

  史建国介绍说,如今国内的上海交通大学、华南理工大学等生物传感器研究室中,正在做生物元件的研发,而他也在联合国内外有关生物器件制造的专家团队,逐渐尝试搭建起这一国家级的中试平台。这一项目仍在进行前期准备,仍缺乏设计理论、设计工艺和专用设备。但经过长时间的论证,已有了初步的方案,并得到了很多院士和专家的支持。

  史建国说,中试平台不仅可以满足产品正式投产前的小规模试验,也能够生产出生物传感的核心器件,在国际市场具有竞争力。

  让他欣慰的是,国内的纳米技术和微细加工技术,已经有了与强国一拼的实力,对于中试平台的搭建,将起到关键作用。与此同时,经过多年积累,一大批青年科研人才正在成长起来,他们或将接棒,推动中试平台的建设。路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。生物传感产业的发展亦是如此。

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