为核酸检测提供标准物质——访2013级星友、上海计量院教授级高工刘刚

刘刚

2020年悄然过半，全球范围内新冠病毒肆虐、疫情蔓延的势头未减。为防止疫情再次暴发，无症状感染者及其传播风险越来越受到重视。国家卫健委从4月1日起将无症状感染者列入疫情通报内容，采取了加大筛查力度，扩大检测范围等措施。同时，根据世界卫生组织（WHO）介绍，此次发现的新型冠状病毒是过去从未在人体中发现的新型冠状病毒（SARS-CoV-2），能否快速、准确地检测出病毒，成为防控的关键。作为最终确诊的关键性技术，核酸检测发挥了极其重要的作用。但核酸检测本身的准确性也成为公众高度关切的问题，急需建立核酸浓度量值的溯源和质控依据。在这个当口，上海市计量测试技术研究院（以下简称“上海计量院”）传来好消息：上海研制的“新冠病毒体外转录RNA标准物质”被批准为国家级标准物质，依据ISO标准和国家标准物质研制规范，连接国家级计量单位的核酸浓度量值，为新冠病毒核酸检测试剂盒提供浓度量值的评价依据。至此，上海计量院作为华东大区级计量机构，成功建立了新冠病毒体外转录RNA浓度的计量标准，为地方的试剂盒企业、研发机构和一线检测实验室提供有力的计量支持，目前推广到了全国范围，申请使用这一标准物质的机构和企业超过100家，发放标准物质超过1 000瓶。

该成果的发布，使得一直处在幕后为社会经济和科技进步做出不可或缺贡献的上海计量院，特别是该院布局多年的生物计量研究工作广受关注。本期受访星友刘刚就是上海计量院生物计量领域的学科带头人。

刘刚，上海市计量测试技术研究院化学所生物计量创新团队负责人，全国生物计量技术委员会以及全国生化检测标委会委员。从疫情暴发至今，他和他的团队以生物计量为利器，在国家和人民最需要的时候，研制出国家级新冠病毒体外转录RNA标准物质，提高了核酸检测的准确性和可靠性，为实现新冠病毒核酸检测从“有没有”，到“好不好”再到“准不准”的提升做出重要贡献，彰显了上海计量领域科研攻关和质量基础保障的实力。

这位通过提供核酸检测标准物质来守卫大众健康的“幕后英雄”，面对我们的时候仿佛是面对着摄像机镜头，谈及自己，含蓄低调，谈及工作，滔滔不绝。

“人要有压力，压力会激发人的潜能，去挑战自己，去发现更强大的自己”

1982年，刘刚出生于山东青岛。父亲是改革开放初期乡镇集体企业干部、老党员，母亲是农民。刘刚这样介绍自己：很内向，社交能力不强，天赋平平，不是那种很聪明的人，只是比较努力，后来慢慢觉得自己逻辑能力还可以，也很愿意和别人合作。刘刚完全是在农村的环境里接受的中小学教育，来自人均教育资源相对匮乏的高考大省，异常残酷的选拔竞争伴随他大部分求学过程。2000年，刘刚被华东理工大学环境工程专业录取。18岁的刘刚一头扎进大学校园里，在浩瀚的知识海洋中孜孜以求，培养更加自主的学习能力。大三开始，正式接触到实验室工作，毕业设计环节以“纳米催化材料在有害气体处理中的应用研究”为题目，开展了初步的试验探索工作，“回过头来看，尽管当时科学能力是非常有限的，但这个过程对思维和动手能力的培养让我受益匪浅。”他总是以“有趣”来描述大学的实验室经历，这可能也启发了后来他对于科研的兴趣和追求。

真正走进科学研究的大门是在2003年，刘刚获得保研名额，赴中科院上海应用物理研究所（以下简称“应物所”）樊春海老师那里开展硕博研究工作。当时樊老师以中科院人才计划从美国回国初建课题组，开展生物传感和生物纳米前沿研究。面对几乎全新的知识领域，刘刚担心自己的工科背景难以胜任。樊老师鼓励他说，对于交叉学科研究，最重要的是探索兴趣和学习能力。就这样刘刚成为一名硕博连读学生，从头学习分子生物学的基础知识，在樊老师的指导下以核酸传感检测为目标，进入到了广阔的科学研究世界。

“樊老师带我领略了世界科技前沿胜景，引我入核酸生物传感之门”

上海市计量测试技术研究院化学所生物计量团队

随着分子生物学、基因组学的发展，人们更深入了解到核酸不仅仅是一种遗传信息的载体，它更是一种优良的分子工具，具有无可比拟的生物兼容性，稳定可编程的结构信息，高度专一的识别功能，尤其是在生物传感检测领域，为我们展示了广阔的可能性，时至今日，不管是已经广泛应用的临床诊断试剂，还是最前沿的框架核酸、生物纳米机器人研究，核酸作为分子工具仍然广受关注。刘刚的博士研究，聚焦于核酸分子在电化学传感界面的自组装、构型构象调控和传感模型设计。这个研究方向既包含了分子构型变化理论预期设计，又需要基于电化学分析装置、材料，开展实验结果的探索和验证。研究过程有很多困难需要克服，为了拓展多通道电化学传感方向，刘刚和导师一起从头动手搭建检测装置，设计试验方案每一个细节，最终的成果发表于著名化学期刊《美国化学会志》（JACS）；为了实现纳米电极核酸组装，刘刚赴厦门大学田中群院士课题组学习材料制备，回到课题组之后，发展了纳米界面核酸组装和检测，成果发表在纳米材料顶级杂志《先进材料》（Advanced Materials）。作为一个“愿意动手尝试的工科生”，刘刚非常喜欢这样的研究工作，最终也以中科院百优论文的成绩顺利结束博士学习。科学研究的前沿探索充满未知的挑战，需要沉心静气的思考，持续不断的尝试，当然也需要一点点运气。

笔者曾在十几年前对樊春海老师做过启明星访问，当时就对应物所（其前身上海原子核所）李民乾、胡钧、樊春海等一批科学家矢志于分子操纵、生物传感、纳米科技等交叉科学研究的见识、勇气和取得的成就倍感兴奋。这次有机会“逮”到樊老师的第一位硕博研究生刘刚，马上就想让他谈谈当年受业于樊老师的一些感受。“我是樊老师最早的团队成员，从最初连组会报告都战战兢兢的学生，到离开团队组建自己的课题组，直到现在仍然和樊老师有密切的合作，导师对于我学习与工作生涯的影响非常大，无法用只字片语来总结。回想起来最重要的是两个方面:第一，老师带我进入了一个新的核酸生物传感学科，建立全新的知识体系，开阔了视野，这也是当下我们开展核酸生物计量研究的一个重要基础；第二，学习如何选择有意义的研究方向，怎么做出有价值的科研成果，不仅要时刻跟踪世界前沿领域，了解科学发展方向，从而知道学科发展的关键挑战和创新意义所在，同时还要关心社会需求，让科学研究真正支撑产业发展。樊老师经常会引用《易经》中的 ‘取乎其上，得乎其中’ 的话，让我们永远要有一个高于现实的目标，这些年来我就是一直按照老师的要求在激励自己。”

同样，无论在实验室创建之初搭建科研团队时，还是后面的实验过程中，刘刚对科研的领悟能力和动手能力给樊春海留下深刻的印象，让他预见到了刘刚从事交叉科学研究的潜质。这其中就包括了刘刚读博时就涉及的核酸分析领域的工作。

2009年，博士毕业的刘刚来到上海计量院，希望通过计量标准的连接，推动核酸生物传感前沿成果的技术应用，这与当时方兴未艾的生物计量研究需求不谋而合。从那时起刘刚开始了一个全新的生物计量实验室的搭建。“量值溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准（通常是国家计量基准或国际计量基准）联系起来的特性。生物计量研究则主要关注生物定量测量的准确性和可靠性，其目的是通过研发高度准确的参考测量方法和生物标准物质，使得生物测量结果可以直接溯源到国际单位制（SI），实现量值统一。如果把“核酸测量”过程比作“用天平称量物品”，那么核酸标准物质就是可靠的“砝码”，它把准确的量值传递到检测实验室，实现测量工具的质控和溯源。

核酸标准物质攻坚，在学科交叉的界面“闲庭信步”

核酸检测是预防病原微生物侵害的关键防线，因此其结果准确性非常重要，按照ISO17511，欧盟Directive 98/79/EC，GB/T 21415等国际国内标准/导则要求，建立量值传递有助于实现检测结果准确可追溯，可以从根本上提升室间一致性，结果可靠性，避免公共卫生安全领域出现误判、错判导致的安全事件和经济损失。然而病原微生物核酸检测领域的计量溯源是生物计量学科的重大挑战，计量溯源体系还有待建设，高灵敏度、高准确度的核酸绝对定量方法以及微生物核酸标准物质都很缺乏，病原微生物核酸浓度溯源到国际单位制的过程存在困难。为建立病原微生物核酸计量溯源链条，刘刚带领课题组开展了系统的计量溯源研究，包括核酸参考测量方法，病原微生物核酸标准物质，核酸分析仪器计量校准应用等，尤其是疫情期间，紧急研制新冠病毒RNA标准物质，解决试剂盒质控的技术难题，在公共卫生领域广泛应用并得到良好反馈。

新冠病毒RNA国家级标准物质

核酸标准物质研究是生物计量领域的科研制高点，也是刘刚2009年加盟上海计量院后就希望做的事。十年耕耘，成果累累。但如果不是这次新冠疫情牵引出的核酸检测质量的认定难题，上海计量院生物计量团队所做的工作或许不会为公众所了解，生物计量的价值也不会被更多的人所知悉。趁这次采访刘刚星友的机会，我们对刘刚及其团队在生物计量领域所做的工作及其突出成绩给读者做简要介绍。

刘刚所带领的上海计量院化学所生物计量实验室主要工作是系统研究生物分析领域量值溯源方案，包括生物样品标准物质研制以及生物仪器计量校准能力建设，最终为生物分析检测实验室提供方法、样品、校准服务。到目前为止，实验室成果发表SCI论文30余篇，3次获得省部级科技奖励。被评为上海市市场监管局科技创新团队和上海市青年突击队。刘刚本人先后承担或完成国家级科研项目3项，省部级科研项目6项，并受到4项上海市人才基金资助，发表学术论文25篇，申请发明专利10项。

团队研究高效液相色谱核酸纯化、鉴定，研究核酸样品的保存条件，开展多方法、多实验室比对验证，首次以理化分析和生物分析相结合的方案实现标准物质定值。获批15项病原微生物DNA标准物质（5项国家一级标准物质GBW09850至GBW09854，10项国家二级标准物质），填补国内空白，准确度和稳定性优于国际同类标准物质。

新冠疫情期间，研制新冠病毒RNA标准物质2项：GBW(E)091111和GBW(E)091112，为新冠核酸检测计量溯源和质量控制提供支持。他们的工作受到上海市市场监管局和上海计量院大力支持，获得多项科研经费资助：上海市科委新冠专项、上海交大“新型冠状病毒防治攻关专项”、转化医学国家重大科技基础设施（上海）以及上海计量院自筹项目。研制的新冠病毒RNA标准物质已经应用于多家企业、高校和医院，包含捷诺、上海小海龟（有RT-qPCR和数字PCR两种方法）、上海速创（LAMP等温扩增）、之江、伯杰、天筛（上海）、江苏硕世、苏州天隆生物、瑞金医院、厦门大学、湖南大学和上海交大生科院等，为临床诊断获取准确的RNA测试结果提供有力的计量支撑，也为国产核酸试剂的质量能力提供可靠的证明。

基于方法和标物研究成果，团队建立多种分析仪器的计量校准能力，突破病原微生物核酸仪器校准瓶颈，为公共卫生领域核酸定量分析仪器和试剂盒提供校准服务，应用涵盖实时荧光定量PCR、细菌麦氏比浊仪、全自动微生物定量分析仪、菌落计数仪等校准工作，至今开展计量校准服务2 500台次，服务用户600多家次，其中包括疫情期间多次为抗疫一线实验室和企业提供计量校准服务。

“为核酸检测提供标准物质本身就是我的份内工作。取乎其上，得乎其中。我只是为自己的工作设了一个略微高于现实的目标。”新冠疫情让我们有机会了解上海计量院星友（刘刚博士及其团队成员闻艳丽博士）在生物计量领域所做的开创性工作，也知道了上海交大樊春海院士一直不忘将前沿生物分析技术与生物计量研究相结合，是科学技术惠及民生的典型示范。在此也代表本刊的广大读者向为抗疫做出特殊贡献的刘刚博士及其团队表达深深的敬意！

侯璟琼、江世亮采写于2020年6月22日