光“感”之路
——記復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院光科學(xué)與工程系教授吳翔

王艷敏

吳翔

在生物圈中，存在數(shù)以千計(jì)的物質(zhì)。在這其中，那些看不見(jiàn)摸不著的生化分子影響著生物學(xué)過(guò)程的各個(gè)方面，對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行快速自動(dòng)分析，是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。在過(guò)去20年中，生物學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)融為一體，產(chǎn)生了一代新的傳感元件——生物傳感器，從而引發(fā)了分析生物學(xué)技術(shù)的一場(chǎng)革命。

生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好、特異性強(qiáng)、分析速度快、動(dòng)態(tài)在線分析等特點(diǎn)，在食品分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥物研發(fā)、生化檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。作為生物傳感器中的一類，免標(biāo)記型光學(xué)生物傳感器以光單元為信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，以生物探針?lè)肿訛樽R(shí)別傳感元件，將待測(cè)物與探針?lè)肿影l(fā)生特異性反應(yīng)所產(chǎn)生的生物信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定性定量檢測(cè)。近些年來(lái)，免標(biāo)記型光學(xué)生物傳感技術(shù)越來(lái)越受到科研工作者廣泛關(guān)注與重視。而這一領(lǐng)域研究，也是復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院光科學(xué)與工程系主任吳翔教授所潛心致力的科研方向。

以物理為起點(diǎn)的科研之路

“物理學(xué)基本上是所有學(xué)科的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)物理對(duì)人的邏輯思維及數(shù)理思維等都能進(jìn)行良好的訓(xùn)練?！眳窍枵f(shuō)。從小在家庭和長(zhǎng)輩的熏陶下，他對(duì)物理世界擁有強(qiáng)烈的好奇心。1999年獲得湖南大學(xué)物理學(xué)士學(xué)位后，吳翔進(jìn)入浙江大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)進(jìn)行碩博連讀。因?yàn)楸究朴欣砜频谋尘?，?lái)到了浙江大學(xué)之后，吳翔將自己的研究方向在工科領(lǐng)域進(jìn)行了極大的拓展。理科思維的訓(xùn)練，工科動(dòng)手能力的加強(qiáng)，為他未來(lái)的科研之路奠定了更加全面的基礎(chǔ)。

“博學(xué)而篤志,切問(wèn)而近思”。一直以來(lái)，復(fù)旦大學(xué)在吳翔的科研人生中都占有非常重要的位置。2004年9月，博士畢業(yè)后的吳翔在復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)博士后流動(dòng)站展開(kāi)了科研人生新的一頁(yè)。復(fù)旦大學(xué)光學(xué)學(xué)科的培養(yǎng)模式特點(diǎn)是“理工結(jié)合、理工并重”，研究者不僅需要具有物理學(xué)家的思維能力，還要具備工程師的動(dòng)手能力，做到“眼高手低”——眼界高且基本功扎實(shí)。通過(guò)博士后階段的科研歷練，吳翔積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，并發(fā)展了微納光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究興趣?！拔覀儸F(xiàn)在所開(kāi)展的工作實(shí)際上是利用光學(xué)微納結(jié)構(gòu)對(duì)光的特殊捕獲能力，增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用，然后盡可能地高靈敏檢測(cè)一些微量元素或生化分子。”吳翔說(shuō)。

掀開(kāi)生物傳感器的新一頁(yè)

在前人科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，能否有更大的科研突破呢？一代代科研人員在研究發(fā)展的大潮中，從未放棄過(guò)對(duì)創(chuàng)新性科研成果的探索與追逐。作為一名扎根科研領(lǐng)域20余年的科研工作者，吳翔也不例外。

在吳翔的介紹下，記者了解到：在此之前，國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域主要采用熒光標(biāo)記式的生物傳感與檢測(cè)技術(shù)，而無(wú)標(biāo)記的光學(xué)傳感器件并未得到太大的發(fā)展與應(yīng)用?！捌鋵?shí)無(wú)標(biāo)記的光學(xué)生物傳感器件與有標(biāo)記的相比，應(yīng)用面更為廣泛。因?yàn)樗恍枰覀冊(cè)诖郎y(cè)的生物分子上做一些熒光修飾，可以保證生物分子在自然狀態(tài)下就能檢測(cè)到其含量。”他說(shuō)。而將無(wú)標(biāo)記的生物傳感檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，并展開(kāi)廣泛應(yīng)用，便是吳翔一直以來(lái)從事科研的最大驅(qū)動(dòng)力。近來(lái)，高傳染性疾病時(shí)常在密集人群中暴發(fā)，而對(duì)生物病毒標(biāo)志物的快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)，可以為疾病的預(yù)防、診斷和及時(shí)治療提供重要的依據(jù)，從而有效地控制危險(xiǎn)傳染病的傳播活動(dòng)。然而，目前市面上的檢測(cè)儀器大多存在設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴且檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，制約這些技術(shù)在疾病早期檢測(cè)和診斷中的推廣。在這一現(xiàn)狀下，吳翔團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一系列光學(xué)微納生物傳感器，實(shí)現(xiàn)超靈敏大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的生物分子特異性檢測(cè)，在臨床醫(yī)學(xué)、疾病診斷及藥物篩選等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，吳翔及合作者還將努力推進(jìn)其未來(lái)在新型冠狀病毒肺炎檢測(cè)中的應(yīng)用。

除此之外，集成硅光電子方向也是吳翔團(tuán)隊(duì)所關(guān)注的重點(diǎn)。眾所周知，硅激光器是集成硅光電子芯片的基本元件，是實(shí)現(xiàn)集成硅光電子的關(guān)鍵。然而，硅自身的發(fā)光極弱，如何將硅處理成具有高增益的激光材料，一直是一個(gè)瓶頸問(wèn)題。自2000年實(shí)驗(yàn)證明硅納米晶材料可以實(shí)現(xiàn)光放大以來(lái)，這一瓶頸始終限制著硅激光器的發(fā)展。吳翔與復(fù)旦大學(xué)陸明教授和張樹(shù)宇副教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)多年的創(chuàng)新開(kāi)拓，成功研制出了世界上首個(gè)全硅激光器。此次研發(fā)的硅激光器與以往不同，它的發(fā)光材料（增益介質(zhì)）是硅本身（硅納米晶材料），激光器可做在硅芯片上，所以是真正意義上的全硅激光器。這種激光器不僅克服了半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的晶格失配和工藝兼容性差的問(wèn)題，同時(shí)，作為地表儲(chǔ)備量第二豐富的元素，以硅做光增益材料也可以避免對(duì)稀有元素如鎵、銦等的過(guò)度依賴。該研究是集成硅光電子領(lǐng)域近30年來(lái)取得的一項(xiàng)重大突破。

開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究

科研落地與人才培養(yǎng)并行

始于興趣，終于熱愛(ài)。在吳翔看來(lái)，從事科學(xué)研究一定要找到自己發(fā)自內(nèi)心喜愛(ài)的科研方向，持久做下去?！澳軌蛟谂d趣的驅(qū)使下，純粹地開(kāi)展一些科研工作，這很重要。”吳翔說(shuō)。在他看來(lái)，真正有價(jià)值的科研成果不是靠逼出來(lái)的，而是要通過(guò)自己全身心地投入到喜歡的事情中，方可做出一些成果。而吳翔也很慶幸，他能找到值得自己為之奮斗的科研方向。

現(xiàn)如今，吳翔最大的心愿就是要將科研成果盡快推廣，真正造福社會(huì)。然而，這一夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)任重而道遠(yuǎn)?！皩?shí)際上，人體樣本的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室還是有很大的區(qū)別，而要真正將其在醫(yī)院進(jìn)行落地，仍需要在實(shí)戰(zhàn)中將核心技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)和改進(jìn)?！眳窍枵f(shuō)。而這便是吳翔科研團(tuán)隊(duì)未來(lái)努力的目標(biāo)。

特別是在全硅激光器方面，未來(lái)，合作研究團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步研發(fā)和完善電泵浦技術(shù)。通過(guò)向硅納米晶激光器內(nèi)注入電流，產(chǎn)生激光輸出。以電發(fā)光，走完距離實(shí)際應(yīng)用的最后一公里，促進(jìn)全硅激光器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

科研工作之外，吳翔在人才培養(yǎng)上也投入了大量的心血。對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)，吳翔始終秉行著“因材施教，寓教于研”的原則。在他看來(lái)，每個(gè)學(xué)生都是不一樣的，都有屬于自己的個(gè)性與特長(zhǎng)，如果培養(yǎng)方式過(guò)于僵化，則不利于每個(gè)學(xué)生的成長(zhǎng)。因此，在學(xué)生引領(lǐng)層面，吳翔更傾向于在了解學(xué)生的基礎(chǔ)上，對(duì)他們進(jìn)行“推”和“拉”?！八^‘推’就是將學(xué)生推出舒適圈，讓他們有勇氣去探索一些新東西。而‘拉’便是學(xué)生在研究過(guò)程中跑偏的時(shí)候，將他們拉回正路?！眳窍枵f(shuō)。多年來(lái)，吳翔兢兢業(yè)業(yè)投入到教學(xué)工作中，帶出了很多優(yōu)秀的畢業(yè)生，值得一提的是，由他指導(dǎo)的研究生中目前已經(jīng)有兩人獲得了“王大珩光學(xué)獎(jiǎng)”。

踏踏實(shí)實(shí)做研究，是吳翔對(duì)自己的忠告，一路以來(lái)他也正是這樣踐行的?！靶挠兴牛侥苄羞h(yuǎn)”——不管時(shí)間有多長(zhǎng)，只要在這條道路上執(zhí)著地走下去，吳翔堅(jiān)信夢(mèng)想都能落地生根。