国产法医DNA检测平台研发解密

[2013/12/12]

　　国产法医DNA检测平台在福建省福州市正式发布。这一检测平台打破了多年来外国公司在此领域的技术垄断，在打击犯罪等方面产生了深远影响。在该检测平台的幕后，还有很多鲜为人知的研发故事

　　在一处案发现场，法医小心地用工具夹取了粘在枕头上的一根毛发，并迅速把它装入证据袋中。随后，相关的DNA数据在实验室中被迅速检测出来，犯罪分子迅速被警方锁定。

　　这是如今美国电视剧中常见的桥段。

　　而在现实中，DNA检测技术也早已成为最有效的刑侦技术手段之一。

　　来自公安部第一研究所(以下简称一所)的统计数字显示，目前我国已建立超过400家DNA实验室，年度受理案件10万余起，检验检材75万余份，DNA数据库规模也已超过1200万人份。

　　令人遗憾的是，在上述400多家DNA实验室中，包括DNA检测平台在内的关键设备全部来自进口。昂贵的费用不仅严重制约了DNA检测技术在公安一线的推广应用，也限制了我国法医DNA检测技术的进一步发展。

　　这一窘境已在一周多以前被打破—12月3日，“GA118-16A型”国产法医DNA检测平台在福建省福州市正式发布。据业内人士评价，该平台的应用将有效增强我国预防和打击刑事犯罪的快速反应能力、犯罪证据认定能力以及物质条件保障的自给能力。

　　而在首个国产法医DNA检测平台的幕后，还有很多鲜为人知的研发故事。

　　从血型到DNA

　　“世界上第一次将DNA应用在生活中是在1985年，在英国一个叫做拿波若的小镇上发生的一起谋杀案中。”39岁的赵兴春对于DNA的历史了如指掌，他甚至还写过一本名为《DNA作证》的科普读物。

　　不过，赵兴春的主要身份并不是“作家”，而是我国DNA检测权威部门、公安部物证鉴定中心(以下简称物证中心)的专家型官员。

　　赵兴春告诉法治周末记者，在DNA技术应用到刑侦领域之前，刑侦领域主要是依据血型检测和酶型检测。“血型大家都知道，而酶型比血型要高级一些，是通过对蛋白进行分析—比如犯罪现场的精斑，因为每个人它里面含的东西不一样。”

　　赵兴春说，但不论是血型还是酶型，在进行区分的时候都无法做到像DNA那么准确。而DNA就像指纹一样，有唯一性。

　　1989年，我国首次将DNA检测技术应用到案件侦破工作中。在第一批案子中，有一个新疆女大学生的案子令赵兴春印象尤为深刻。

　　“当时那个女学生一口咬定她的孩子是(和)一位老师(生)的。老师说不是，但又没有办法证明，因为血型不能确切证明是不是他的。后来，就做DNA检测。”

　　赵兴春说，此时的DNA检测还是第一代技术DNA指纹图谱技术，操作比较繁琐，对样本的要求很高，要抽一定量的血，而且需要用到同位素，对实验操作者的身体伤害也比较大。

　　“后来检测结果出来，孩子还真不是那个老师的……那个老师终于得以洗刷清白。当时，他因为被冤枉，好像都快(得)神经病了。”赵兴春说。

　　1996年，赵兴春进入物证中心，此时正赶上DNA检测从第一代技术向第二代技术的过渡，国内的DNA检测应用水平也跟着突飞猛进。

　　“因为第一代技术对检材的量要求比较高，但在实际案件当中，它不可能给你准备那么大的量—物证量是很小的，所以必须要发展需要检材比较少的技术。”赵兴春解释说。而新一代的荧光标记复合扩增技术实现了这一目标，它可以对DNA进行人工复制，来满足检测的要求。

　　受制于人造成“贵族检测”

　　虽然DNA检测应用水平和国际同步，但由于所有的设备、耗材还有试剂都源自进口，因而就留下了受制于人的隐患。曾经在一段特殊时期内，外国公司以技术原因为由断供了试剂。

　　“人家说‘我们因为技术原因，产品生产不出来’。结果有好几个月试剂没法供应，我们想买也买不到。”赵兴春说。

　　更令人担忧的是，在这种情况下建设国家DNA数据库将面临巨大的风险。赵兴春举例说，一旦某一天外国公司停止供应相关的设备材料，耗费巨资建成的国家DNA数据库就瞬间瘫痪，之前的投资也相当于打了水漂。

　　“这个东西如果不能确保持续使用，就等于你没有办法去做DNA比对，也无法录入新的DNA样本，这样就一下被打回了30年前。这就会对国家安全造成影响，破案的效率会大大降低。”赵兴春解释说。

　　此外，由于技术垄断，进行DNA检测的相关设备、材料的价格也非常昂贵。

　　以作为消耗品的试剂为例，在2006年以前，一个容量为1毫升的试剂盒的售价高达4万多元，价格远超黄金，平均下来要每人份200多元。假设一个实验室一年处理5000个样本，每年仅试剂的开支就高达百万元。

　　“第一仪器贵，第二试剂贵。所以对我们公安机关来说它是‘贵族检测’，用不起。用不起怎么办?只好有选择性的。所以就只能用在杀人案上，大案就用一用，小案就靠别的其他技术手段。”赵兴春说。

　　在这种背景下，DNA检测试剂的研发提上了日程。在赵兴春和同事们的努力下，2004年12月5日，由物证中心自主研发的法医DNA检测试剂通过了公安部组织的验收鉴定。

　　赵兴春还记得，就在成果发布的当天，国外公司就立即把试剂的价格降低了一半，比他们自己国家的价格还要便宜。“所以国产试剂是已经尝到这个甜头了，当然我们自己的试剂更便宜，平均下来只要50多元每人份。”

　　不过，为了保证利润，外国公司又将仪器设备和耗材的价格提了上去。不仅如此，该公司还在自己的产品上添加了标签并推出新的设备，而新的设备只能识别该公司自己的试剂。刚刚研发出来的试剂再次面临受制于人的风险。

　　从零起步

　　2006年11月8日，在公安部时任领导的推动下，公安部启动“118专项”。一所和公安部物证鉴定中心携手接下了国产DNA检测平台的研发任务，并在此基础上，继续承担了该领域科技部“十一五”国家科技支撑计划“法医DNA专用检测平台关键技术研究”项目。

　　据项目总师、一所研究员陈惠民介绍，整个项目被分成了硬件平台、采集软件、分析软件、耗材4个课题，其中前两个课题由一所负责，后两个课题由物证中心负责，整个团队大约有50多人，其中年轻人占大多数。

　　“跟试剂相比，我们对仪器的印象就是一个黑匣子。毕竟对试剂的应用我们还有一些了解。”陈惠民跟法治周末记者坦言，研发的难度超乎想象。

　　由于有着产业化的成功经验，庞晓东所在的一所安检事业部得到了其中难度最大的硬件平台和采集软件的研发任务。当他和他的同事们听到自己将要参与研发DNA检测平台时，他们的第一反应是“开玩笑”。

　　“做DNA测试仪?太开玩笑了。我们自己都觉得不可思议，什么都不懂。”庞晓东笑着回忆说。

　　庞晓东2008年年初担任安检事业部主任助理。他告诉记者，他所在的开发团队中有学电路设计的、光学设计的、结构设计的、软件开发的，但都和DNA没关系。和DNA“离得最近”的是做化学分析的，但化学分析与生物化学还是“隔行”。直到项目中后期，才有学法医和生物化学的研究人员进入团队。

　　在安检事业部副主任、原开发部主任陈力看来，这些当时30岁左右的年轻人，由于大多刚刚硕士毕业参加工作，实际上相当于新人。“基本上这个团队做研发，差不多是从零起步。什么都不了解，需要做哪些都不知道，水有多深也不知道。”

　　于是，找老师补课成为研发人员们的首要任务。研发的过程也成了一个不断学习的过程。

　　“最开始找的是中国刑事警察学院的李树老师，给我们连续讲了一个星期。”庞晓东说，虽然感到茅塞顿开，但仍然有很多东西不明白，于是大家又反复查资料、问问题。“物证中心那边也非常热情，我们也跟着他们去学习，包括怎样操作仪器。”

　　陈惠民告诉记者，正确的认识和理解是整个DNA检测平台研发的关键。“一旦我们理解了这个系统的工作原理，我们就能够设计这个系统，通过实验完善各个器件之间的关系，最后把要求的整个系统和指标做出来。”

　　“这么难的机器你们能做出来?”

　　庞晓东坦言，整个项目从头到尾大家都承受了特别大的压力—而这些压力很大一部分来自于外界的质疑。

　　"这么难的机器你们能做出来?’很多人抱着看笑话的心态。”庞晓东说，由于当时整个项目是保密的，这些质疑声主要来自于公安系统内部，因此大家的压力都特别的大。

　　而由于一切都是从头开始，既没有原理图，也没有可以直接参考的资料，再加上大部分研发人员没有什么工作经验，所以研发进展并不顺利。尤其是光路的部分，在很长的一段时间内都没有任何实质性突破。

　　陈力还告诉法治周末记者，部里对技术路线的安排也影响了研发的进度。“课题分成了一二三四，就是不仅要整体替代外国产品，还要分别替代，这就把我们给‘框死了’。因为你得考虑兼容问题，不能自成体系。”

　　陈力解释说，之所以有“分别替代”的安排，是因为研发的风险比较大。这样一来，某一课题的失败不会影响到整个项目—即使做不出来，还可以用进口的产品替代。

　　此外，由于整个系统涉及光、机、电、生化等多个方面，极其复杂，因此原本分解完成的各个部分往往各自独立检测能够通过验证，但相互结合的时候又会出现适应性方面的问题，需要反复修改、磨合。

　　“从2007年开始预研，一直到2010年还没有成型的东西拿出来。包括我们自己内部有些人都动摇了。2010年2月份的时候，小组内也开始有人提出疑问，能做出来么?而且这种声音的比例还挺大。”庞晓东回忆说。

　　陈力告诉记者，由于项目涉及的专业领域太多，各个专业之间隔行如隔山，有的部分虽然直接负责的研发人员有信心，但其他专业的人会质疑。“只有样机出来才能确认能否做得了，大家才都有信心”。陈力说。

　　于是，为了稳定军心，项目组决定要尽可能快地做出一个样机出来。

　　“即使天天晚上加班也一定要把它做出来。自己的软件不行，就先用国外的软件连着;光路(部件)不行，先拿国外的光路(部件)用着。无论如何要能看到这么个东西。”庞晓东说。

　　2010年5月，第一台样机正式诞生。虽然这台样机的性能还没有达到国外同类产品的水平，但已经表明，这些年轻人也可以做出这样一个高端的科学仪器来，这给了研发团队极大的信心，外界的质疑声也小了很多。

　　成功背后的付出

　　事实上，除了在研发方面要突破重重阻碍，把设计出来的图纸变成实实在在的产品同样面临着相当大的困难。尤其是DNA检测平台属于精密仪器，对零部件加工的要求很高。

　　以荧光激发系统来说，该系统用于引导激光激发毛细管阵列内的样品荧光标记，要求激光会聚精度高达10微米。

　　“虽然我们可以把嫦娥送到月球上去，但实际上我们在基础方面的差距仍然很大。像我们有的东西不是不想做，但国内加工水平做不了。”陈力告诉记者，我国的科学仪器领域比国外要落后二三十年，而这种落后不仅有设计能力的落后，也包括加工能力的落后。

　　所以，找一个合适的加工厂加工出合格的零部件，成为这些研发人员必须要过的一个坎儿。但往往却是，有加工能力的大厂因为数量太小而不愿意接手;而那些愿意接手的，加工能力又达不到要求。

　　“你比如说这个针阀，看起来很小，但结构却很复杂，而且必须做到高压密封，要能承受100个大气压。”常海龙负责结构设计，他告诉记者，一个零部件的加工常常需要多个来回的反复沟通。很多研发人员甚至干脆跑到厂里盯着。

　　其实不光是零部件的加工，包括整个DNA测试平台的搭建也全靠研发人员自己动手。庞晓东说，尤其是后期样机试制阶段，同事们每天加班到深夜是再正常不过的事情，不少人都是带病坚守。

　　最终，等到第五台样机组装出来的时候，整机的性能已经达到设计要求，有些方面像光学性能的效力甚至已经超过国外设备同类部件的性能，研究任务基本完成。

　　2012年10月，整个项目顺利通过了验收。“平行测试的结果显示，我们的设备和国外同类设备在检测结果上基本一致。”陈力说。

　　“研发团队的年轻人放弃了很多。这个事情就是不断地产生想法，不断地试验，不断地验证，然后不断地解决问题的一个过程，这就需要大量的时间和精力。周末不休息都是经常的状态，甚至包括亲人去世、家人生病时，都没能请假。”陈惠民回忆。

　　陈力也笑着对记者说，研发团队里的年轻人正好赶上了恋爱、结婚或生孩子的时光，很多人甚至为了项目把生孩子的事情都推迟了。“我们有些时候开玩笑说，这个项目已经生出八九个孩子了。”

　　不仅仅能震慑犯罪

　　2013年上半年，公安部刑事侦查局、科技信息化局等联合组织上海、福建等10个省市公安机关DNA实验室对“GA118-16A型”国产法医DNA检测平台进行了测试。

　　测试表明，该检测平台及配套耗材已可以满足我国法医DNA检测应用需要，整体性能达到了国外同类先进技术产品水平，可以替代国外同类产品，彻底打破了国外企业的垄断。

　　后据公安部第一研究所所长仇保利介绍，该项目先后投入科研经费达1.4亿元，实现了多项重大关键技术突破，已获得发明技术专利40余项，形成了具有完全自主知识产权的关键技术体系，填补了国内相关领域技术的空白。

　　“在实际应用当中，就是可以缩短破案周期，节约成本投入。如果能够在第一时间内提供检测结果，就能快速锁定破案的方向。”赵兴春说。

　　在赵兴春看来，虽然目前国内已经建立了400多家DNA实验室，但就公安侦破工作来说，还远远不够。而国产DNA检测平台的发布将有助于建设国家DNA数据库和更多的DNA实验室，侦破更多案件。

　　“事实上，DNA技术最大的一个贡献就是能够起到一种震慑犯罪的作用—它让人不敢犯罪，因为你(如果)犯了(罪)就会被绳之以法。现在每一起命案背后都会有DNA技术的身影，大量的案子也得以侦破。尤其是这两年，命案发生率有了明显的下降。”赵兴春说。

　　陈力也告诉记者，虽然法医是DNA检测平台应用的主要领域，但在社会其他领域例如医疗、科研等也有着广阔的前景。

　　“比如在疾病的诊断中，DNA检测可以做辅助判断，看基因里面得哪种病的概率比较高。像之前美国的电影明星安吉丽娜·朱莉就做了预防性的乳腺切除手术。”陈力说。

　　不过，赵兴春也坦言未来还面临着很多挑战。“原来是垄断的，用户可能不敢在人家(外国公司)面前提的要求，现在会提出来。我们刚刚起步，就像步履蹒跚的婴儿，人家已经是成人了。但是用户会拿成人的标准衡量你，所以这就要你快速地成长起来。”

　　陈惠民也表示，下一步就是要继续把DNA检测平台做好，尽快建立起自己的产品线和国外的产品进行竞争。

　　“作为科研人员，我们当然希望自己做出来的东西能够有用，能够被社会所接受。在推广过程中也会遇到各种各样的问题，我们也会去改善。同时也会注重新技术的开发，因为如果一项技术被新技术替代了就没有生命力了。”陈惠民说。

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