樊春海（分析化学与核酸纳米技术）中国科学院院士｜我国框架核酸概念奠基人与通用数字DNA计算开拓者#

一、基础信息概览#

姓名：樊春海（Fan Chunhai）
生卒年月： $1974$ 年 $3$ 月生，籍贯江苏张家港。
所属学部：中国科学院化学部
当选年份： $2019$ 年（正式当选中国科学院院士；并于 $2026$ 年当选为欧洲科学院（ $\text{Academia Europaea}$ ）外籍院士）
主要研究领域：分析化学、核酸自组装、框架核酸（ $\text{FNA}$ ）、DNA纳米技术与分子计算、生物传感与生命图像成像。

二、核心学术贡献#

1. 研究方向#

樊春海院士长期致力于核酸分析化学、纳米生物学、化学生物学以及DNA分子计算等方向的研究。针对固体基底界面分子行为无序且极易发生非特异性干涉的经典多相传感难题，他的科研切入点聚焦于利用人工设计的高级三维拓扑核酸结构（即框架核酸）对固体界面进行分子级的精密构筑。研究主攻方向包括建立“先组装、后检测”的框架核酸传感理论与高灵敏临床诊断平台、开发通用性液相DNA数字计算机与可编程阵列、以及通过纳米自组装结构诱导宏观耐高温高抗压复合材料的仿生智造。

2. 标志性成果#

“框架核酸（Framework Nucleic Acids, FNA）”概念提出与“先组装、后检测”分析新方法的奠基：
- 在传统的固体基底多相生物传感研究中，修饰在电极或基底上的探针分子往往呈现随机扩散与无序取向，导致界面分子识别的选择性、饱和性极差，且难以控制多相界面下的随机热力学碰撞。
- 针对此项多相生物分析难题，樊春海院士在国际上首次将DNA自组装技术引入分析化学传感修饰界面的精密调控中，创造性地提出了“框架核酸”（ $\text{FNA}$ ）的概念。他利用结构刚性、三维尺寸和力学性质可控的DNA四面体（ $\text{DNA Tetrahedron}$ ）等多级框架分子，构建出了具备超高精确度、长程有序排列的传感自组装纳米界面。
- 基于此，他确立了“先组装、后检测”的框架核酸分析学新范式。该策略在多相复杂环境下表现出优异的阻遏非特异性物理干涉的屏障性能，有效突破了固体界面纳米限域识别的本征传质障碍和热力学瓶颈。其领衔主导的“生物分子界面作用过程的微观测量与核酸分析新方法”项目荣获了 $2016$ 年度国家自然科学奖二等奖（第一完成人）。
通用性数字DNA可编程门阵列（DPGA）与多层级分子计算电路创制：
- 利用生物大分子级联反应开发液相生物计算是一条具备海量高并行潜力的后摩尔技术路线。然而，由于可溶性核酸分子在液体环境中无定向地随机碰撞和混合，此前的研究很难像电子元件（如 $\text{FPGA}$ ）那样通过简单的软件指令编程实现通用数字计算，导致DNA计算硬件大都只能针对单一特定功能进行定制。
- 针对这一制约该领域的全球性瓶颈，樊春海院士团队联合王飞副教授，成功开发了一种支持通用性数字计算的DNA可编程门阵列（ $\text{DPGA}$ ）。在该电路中，他们首次证明利用特定的单链DNA作为统一传输信号（ $\text{DNA-UTS}$ ）能够发挥出类似电子在物理集成电路中定向传输的功能。
- 利用该体系高度可重构和无衰减多级传输的物理特性，他们在液相实验中首次实现并展示了集成高达 $30$ 个逻辑门元件、包含 $30$ 层分子反应链取代以及规模达 $500$ 条DNA链的长路段大规模计算电路的可靠、无衰减运行。该成果攻克了近二十年来液相DNA分子计算在规模和逻辑层级深度上的极限瓶颈，成果发表于《 $\text{Nature}$ 》（ $2023$ 年）。为此，他被国际纳米科学、计算与工程学会（ $\text{ISNSCE}$ ）授予 $2024$ 年度“罗森伯格-郁金香奖”（ $\text{Rozenberg Tulip Award}$ ），这也是中国科学家首次获此殊荣。
DNA折纸自组装矿化与超稳定光热纳米机器构建：
- 生物自组装材料在纳米尺度上面临着机械稳定性差、容易形变和对温度变化极度敏感等应用缺陷。樊春海团队利用三维DNA折纸（ $\text{DNA Origami}$ ）高分子自组装骨架作为精确的宏观模板，首创了多级诱导纳米尺度精确二氧化硅无机矿化（ $\text{Silicification}$ ）的新方法。该方法制备出的DNA-二氧化硅仿生复合材料，其外壳和多级纳米孔道的形貌完全由用户可编程设计，且抗压强度比纯DNA自组装材料提高了十倍以上，达到了 $1\text{ GPa}$ 量级。研究成果发表于《 $\text{Nature}$ 》（ $2018$ 年），实现了我国在DNA纳米技术研究领域的重要突破。
- 此外，针对生物机器由于纳米界面极易由于无规热流失控而发生的失活问题，他的团队利用分子界面设计，成功攻克了多相层级纳米界面热传导过程中的卡皮查热阻（ $\text{Kapitza Resistance}$ ）效应，制备出了抗热损的原子级超稳定光热纳米机器，相关成果发表于《 $\text{Nature Materials}$ 》上，拓宽了核酸材料在体内成像与光热诊疗应用的外延。
新冠病毒核酸应急国家标准物质研制与计量质量控制：
- 在 $2020$ 年初新冠肺炎疫情暴发的紧要关头，大量快速仓促上市的新冠检测试剂盒面临着“假阴性”频发、各企业判定标准不统一的溯源质控死角。
- 作为分析化学学者，樊春海院士依托转化医学国家重大科技基础设施（上海），全力协同上海市计量测试技术研究院刘刚等专家，夜以继日地开展了高精度核酸绝对定量和保存稳定性工艺攻关。团队在 $40$ 天内成功攻克了RNA分子脆弱易降解的物理瓶颈，研制出了两种“新冠病毒体外转录RNA标准物质”（国家标准物质编号： $\text{GBW(E)091111}$ 、 $\text{GBW(E)091112}$ ），作为把控试剂盒出厂精度的国家“生物公平秤”。该计量量具获得了国家相关应急批件并免费投入一千余家检测试剂生产研发单位使用，为我国在大规模筛查和国际精准援助中规避“假阴性”、核准量值传递筑牢了关键基石。

3. 学术地位与影响#

樊春海院士是国际表界面分子分析化学、核酸纳米技术和生物传感设计领域的泰斗级学者之一，同时也是推动我国核酸生物分析向转化医学临床诊疗应用落地的杰出先驱。他提出的框架核酸自组装概念不仅已被全球同行引为调控固体传感表面界面的经典方法学范式，更启发了大量关于智能递药、分子机器人等交叉领域的后继探索。樊春海自 $2014$ 年起，已持续十余年蝉联科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家，在《 $\text{Nature}$ 》正刊、Nature/Science系列子刊发表学术论文 $500$ 篇以上，论文引用总计超 $5$ 万次，极大树立并巩固了我国在世界前沿纳米分析化学与生物计算等战略交叉领域的学科话语权。

三、教育与职业轨迹#

1. 教育背景#

$1992$ 年 $09$ 月－ $1996$ 年 $07$ 月：南京大学生物化学系，获理学学士学位。
$1996$ 年 $09$ 月－ $2000$ 年 $07$ 月：南京大学生命科学学院生物化学与分子生物学专业，获理学博士学位（导师：朱德煦教授等）。
$2001$ 年 $08$ 月－ $2003$ 年 $12$ 月：美国加州大学圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara， $\text{UCSB}$ ）物理系、高分子与有机固体研究所（ $\text{IPOS}$ ），开展博士后研究工作（合作导师： $2000$ 年诺贝尔化学奖得主 $\text{Alan J. Heeger}$ 教授）。

2. 工作履历#

$2020$ 年 $01$ 月至今：上海交通大学转化医学研究院执行院长、国家转化医学科学中心唐仲英首席科学家。
$2018$ 年 $04$ 月至今：上海交通大学化学化工学院，讲席教授、院长、上海市核酸化学与纳米医学重点实验室主任。
$2004$ 年 $01$ 月－ $2018$ 年 $06$ 月：中国科学院上海应用物理研究所工作，入选中国科学院“百人计划”，担任研究员、博士生导师、物理生物学研究室主任（其间作为学术骨干全程参与并保障了国家大科学装置“上海光源”的物理实验线站建设）。
$2000$ 年 $08$ 月－ $2001$ 年 $08$ 月：南京大学生命科学学院，助理研究员。

四、主要荣誉与奖项#

1. 国家级与省部级顶尖奖项#

国家自然科学奖二等奖（ $2016$ 年，获奖项目：“生物分子界面作用过程的微观测量与核酸分析新方法”，作为第一完成人）；
上海市自然科学一等奖（作为第一完成人）；
中国青年科技奖（ $2011$ 年）。

2. 国际荣誉与顶尖表彰#

欧洲科学院（ $\text{Academia Europaea}$ ）外籍院士（ $2026$ 年当选）；
国际纳米科学、计算与工程学会（ $\text{ISNSCE}$ ）“罗森伯格-郁金香奖”（ $\text{Rozenberg Tulip Award}$ ）（ $2024$ 年度，代表着分子计算与纳米程序自组装领域的国际最高荣誉，他是中国首位荣获该国际奖项的科学家）；
德国洪堡研究奖（ $\text{Humboldt Research Award}$ ）（ $2026$ 年，表彰其在生物传感器及可编程核酸计算领域的先驱贡献）；
美国化学会（ $\text{ACS}$ ）“测量科学进展讲座奖”（ $\text{Advances in Measurement Science Lecture Award}$ ）（ $2019$ 年）；
美国科学促进会会士（ $\text{AAAS Fellow}$ ）（ $2017$ 年当选）；
英国皇家化学会会士（ $\text{FRSC}$ ）（ $2015$ 年当选）；
国际电化学学会会士（ $\text{ISE Fellow}$ ）（ $2014$ 年当选）。

3. 其他重磅行业及地方先进荣誉#

何梁何利基金科学与技术创新奖（ $2019$ 年）；
谈家桢生命科学创新奖（谈家桢生命科学奖）（ $2019$ 年）；
全国先进工作者称号（ $2020$ 年）；
上海“最美科技工作者”（ $2022$ 年）；
药明康德生命化学杰出成就奖。

五、社会职务与学术服务#

1. 重要学术平台及期刊任职#

《 $\text{ACS Applied Materials \& Interfaces}$ 》副主编；
《 $\text{ChemPlusChem}$ 》共同主编（ $\text{Co-Editor-in-Chief}$ ）；
《中国科学：化学》、《高等学校化学学报》、《科学通报》、《分析化学》 等国内外重要期刊编委及顾问编委。

2. 重要社会与学术兼职#

中国化学会 会士、常务理事、化学生物学专业委员会委员；
中国毒理学会 纳米毒理学专业委员会副主任委员；
上海市核酸化学与纳米医学重点实验室 主任；
转化医学国家重大科技基础设施（上海） 转化医学科学中心学术骨干与平台首席专家。

六、个人风格与格言#

樊春海院士作风实干、严谨谦逊，在我国青年和中生代科学家群体中素有极具亲和力和实干活力的声誉。他常打趣说自己并不是个“绝顶聪明”的人，但他对自己拥有极高且近乎纯粹的好奇心感到自豪，也正是这份探求自然未知边界的强烈渴望，指引着他二十多年来坚韧地沉浸在DNA纳米和分子组装的世界中。他在 $45$ 岁当选中科院院士后，多次呼吁要让“冷板凳上产出的硬科技基础成果造福于国人的健康”，并大力推动上海大型转化医学物理平台服务于临床的一线筛查。对待团队和学生，他一贯推崇自由且富有自我驱动的培养方式，从不规定硬性的课题，旨在鼓励年轻学子在理性的学科交融中敏锐地去捕捉那些被别人轻易忽略的偶然发现。

其代表性科学治学格言如下：

“框架核酸在极微观的尺度上，就像是用分子织出来的网，引导无序的物质重归秩序。做科研要有一份对大自然自组装本领的强烈好奇和敬畏。去感知那些最细微的原子排列、去测准复杂的生命反应，这就是我们作为分析化学人的立身本职。”
“基础研究要耐得住冷清和寂寞，但一旦我们掌握了确定性的科学规律，就应该有担当，架起一座把基础理论向临床实践转化的桥梁。只有当冷冰冰的纳米公式，真正编织成保护千百人健康的温情铠甲，科学探索的脚步才算没有白费。”