光“感”之路
——記復旦大學信息學院光科學與工程系教授吳翔

王艷敏

吳翔

在生物圈中，存在數以千計的物質。在這其中，那些看不見摸不著的生化分子影響著生物學過程的各個方面，對這些物質進行快速自動分析，是科學家們夢寐以求的目標。在過去20年中，生物學與物理學、化學融為一體，產生了一代新的傳感元件——生物傳感器，從而引發了分析生物學技術的一場革命。

生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好、特異性強、分析速度快、動態在線分析等特點，在食品分析、環境監測、藥物研發、生化檢測、醫學診斷等領域中得到了廣泛應用。作為生物傳感器中的一類，免標記型光學生物傳感器以光單元為信號轉換元件，以生物探針分子為識別傳感元件，將待測物與探針分子發生特異性反應所產生的生物信號實時轉換為光信號，從而實現定性定量檢測。近些年來，免標記型光學生物傳感技術越來越受到科研工作者廣泛關注與重視。而這一領域研究，也是復旦大學信息學院光科學與工程系主任吳翔教授所潛心致力的科研方向。

以物理為起點的科研之路

“物理學基本上是所有學科的基礎，學習物理對人的邏輯思維及數理思維等都能進行良好的訓練。”吳翔說。從小在家庭和長輩的熏陶下，他對物理世界擁有強烈的好奇心。1999年獲得湖南大學物理學士學位后，吳翔進入浙江大學光學工程專業進行碩博連讀。因為本科有理科的背景，來到了浙江大學之后，吳翔將自己的研究方向在工科領域進行了極大的拓展。理科思維的訓練，工科動手能力的加強，為他未來的科研之路奠定了更加全面的基礎。

“博學而篤志,切問而近思”。一直以來，復旦大學在吳翔的科研人生中都占有非常重要的位置。2004年9月，博士畢業后的吳翔在復旦大學物理學博士后流動站展開了科研人生新的一頁。復旦大學光學學科的培養模式特點是“理工結合、理工并重”，研究者不僅需要具有物理學家的思維能力，還要具備工程師的動手能力，做到“眼高手低”——眼界高且基本功扎實。通過博士后階段的科研歷練，吳翔積累了豐富的科研經驗，并發展了微納光子學和生物醫學光子學等相關領域的研究興趣。“我們現在所開展的工作實際上是利用光學微納結構對光的特殊捕獲能力，增強光和物質相互作用，然后盡可能地高靈敏檢測一些微量元素或生化分子。”吳翔說。

掀開生物傳感器的新一頁

在前人科學研究的基礎上，能否有更大的科研突破呢？一代代科研人員在研究發展的大潮中，從未放棄過對創新性科研成果的探索與追逐。作為一名扎根科研領域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，國際相關領域主要采用熒光標記式的生物傳感與檢測技術，而無標記的光學傳感器件并未得到太大的發展與應用。“其實無標記的光學生物傳感器件與有標記的相比，應用面更為廣泛。因為它不需要我們在待測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下就能檢測到其含量。”他說。而將無標記的生物傳感檢測技術進行創新升級，并展開廣泛應用，便是吳翔一直以來從事科研的最大驅動力。近來，高傳染性疾病時常在密集人群中暴發，而對生物病毒標志物的快速、準確地檢測，可以為疾病的預防、診斷和及時治療提供重要的依據，從而有效地控制危險傳染病的傳播活動。然而，目前市面上的檢測儀器大多存在設備龐大、價格昂貴且檢測時間過長等問題，制約這些技術在疾病早期檢測和診斷中的推廣。在這一現狀下，吳翔團隊發展了一系列光學微納生物傳感器，實現超靈敏大動態測量范圍的生物分子特異性檢測，在臨床醫學、疾病診斷及藥物篩選等領域具有廣闊的應用前景。目前，吳翔及合作者還將努力推進其未來在新型冠狀病毒肺炎檢測中的應用。

除此之外，集成硅光電子方向也是吳翔團隊所關注的重點。眾所周知，硅激光器是集成硅光電子芯片的基本元件，是實現集成硅光電子的關鍵。然而，硅自身的發光極弱，如何將硅處理成具有高增益的激光材料，一直是一個瓶頸問題。自2000年實驗證明硅納米晶材料可以實現光放大以來，這一瓶頸始終限制著硅激光器的發展。吳翔與復旦大學陸明教授和張樹宇副教授團隊合作，通過多年的創新開拓，成功研制出了世界上首個全硅激光器。此次研發的硅激光器與以往不同，它的發光材料（增益介質）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體材料生長過程中會產生的晶格失配和工藝兼容性差的問題，同時，作為地表儲備量第二豐富的元素，以硅做光增益材料也可以避免對稀有元素如鎵、銦等的過度依賴。該研究是集成硅光電子領域近30年來取得的一項重大突破。

開展實驗研究

科研落地與人才培養并行

始于興趣，終于熱愛。在吳翔看來，從事科學研究一定要找到自己發自內心喜愛的科研方向，持久做下去。“能夠在興趣的驅使下，純粹地開展一些科研工作，這很重要。”吳翔說。在他看來，真正有價值的科研成果不是靠逼出來的，而是要通過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。然而，這一夢想的實現任重而道遠。“實際上，人體樣本的檢測和實驗室還是有很大的區別，而要真正將其在醫院進行落地，仍需要在實戰中將核心技術進行檢測和改進。”吳翔說。而這便是吳翔科研團隊未來努力的目標。

特別是在全硅激光器方面，未來，合作研究團隊還將進一步研發和完善電泵浦技術。通過向硅納米晶激光器內注入電流，產生激光輸出。以電發光，走完距離實際應用的最后一公里，促進全硅激光器的產業化發展。

科研工作之外，吳翔在人才培養上也投入了大量的心血。對于學生的培養，吳翔始終秉行著“因材施教，寓教于研”的原則。在他看來，每個學生都是不一樣的，都有屬于自己的個性與特長，如果培養方式過于僵化，則不利于每個學生的成長。因此，在學生引領層面，吳翔更傾向于在了解學生的基礎上，對他們進行“推”和“拉”。“所謂‘推’就是將學生推出舒適圈，讓他們有勇氣去探索一些新東西。而‘拉’便是學生在研究過程中跑偏的時候，將他們拉回正路。”吳翔說。多年來，吳翔兢兢業業投入到教學工作中，帶出了很多優秀的畢業生，值得一提的是，由他指導的研究生中目前已經有兩人獲得了“王大珩光學獎”。

踏踏實實做研究，是吳翔對自己的忠告，一路以來他也正是這樣踐行的。“心有所信，方能行遠”——不管時間有多長，只要在這條道路上執著地走下去，吳翔堅信夢想都能落地生根。