光“感”之路——记复旦大学信息学院光科学与工程系教授吴翔

王艳敏

吴翔

在生物圈中，存在数以千计的物质。在这其中，那些看不见摸不着的生化分子影响着生物学过程的各个方面，对这些物质进行快速自动分析，是科学家们梦寐以求的目标。在过去20年中，生物学与物理学、化学融为一体，产生了一代新的传感元件——生物传感器，从而引发了分析生物学技术的一场革命。

生物传感器具有灵敏度高、选择性好、特异性强、分析速度快、动态在线分析等特点，在食品分析、环境监测、药物研发、生化检测、医学诊断等领域中得到了广泛应用。作为生物传感器中的一类，免标记型光学生物传感器以光单元为信号转换元件，以生物探针分子为识别传感元件，将待测物与探针分子发生特异性反应所产生的生物信号实时转换为光信号，从而实现定性定量检测。近些年来，免标记型光学生物传感技术越来越受到科研工作者广泛关注与重视。而这一领域研究，也是复旦大学信息学院光科学与工程系主任吴翔教授所潜心致力的科研方向。

以物理为起点的科研之路

“物理学基本上是所有学科的基础，学习物理对人的逻辑思维及数理思维等都能进行良好的训练。”吴翔说。从小在家庭和长辈的熏陶下，他对物理世界拥有强烈的好奇心。1999年获得湖南大学物理学士学位后，吴翔进入浙江大学光学工程专业进行硕博连读。因为本科有理科的背景，来到了浙江大学之后，吴翔将自己的研究方向在工科领域进行了极大的拓展。理科思维的训练，工科动手能力的加强，为他未来的科研之路奠定了更加全面的基础。

“博学而笃志,切问而近思”。一直以来，复旦大学在吴翔的科研人生中都占有非常重要的位置。2004年9月，博士毕业后的吴翔在复旦大学物理学博士后流动站展开了科研人生新的一页。复旦大学光学学科的培养模式特点是“理工结合、理工并重”，研究者不仅需要具有物理学家的思维能力，还要具备工程师的动手能力，做到“眼高手低”——眼界高且基本功扎实。通过博士后阶段的科研历练，吴翔积累了丰富的科研经验，并发展了微纳光子学和生物医学光子学等相关领域的研究兴趣。“我们现在所开展的工作实际上是利用光学微纳结构对光的特殊捕获能力，增强光和物质相互作用，然后尽可能地高灵敏检测一些微量元素或生化分子。”吴翔说。

掀开生物传感器的新一页

在前人科学研究的基础上，能否有更大的科研突破呢？一代代科研人员在研究发展的大潮中，从未放弃过对创新性科研成果的探索与追逐。作为一名扎根科研领域20余年的科研工作者，吴翔也不例外。

在吴翔的介绍下，记者了解到：在此之前，国际相关领域主要采用荧光标记式的生物传感与检测技术，而无标记的光学传感器件并未得到太大的发展与应用。“其实无标记的光学生物传感器件与有标记的相比，应用面更为广泛。因为它不需要我们在待测的生物分子上做一些荧光修饰，可以保证生物分子在自然状态下就能检测到其含量。”他说。而将无标记的生物传感检测技术进行创新升级，并展开广泛应用，便是吴翔一直以来从事科研的最大驱动力。近来，高传染性疾病时常在密集人群中暴发，而对生物病毒标志物的快速、准确地检测，可以为疾病的预防、诊断和及时治疗提供重要的依据，从而有效地控制危险传染病的传播活动。然而，目前市面上的检测仪器大多存在设备庞大、价格昂贵且检测时间过长等问题，制约这些技术在疾病早期检测和诊断中的推广。在这一现状下，吴翔团队发展了一系列光学微纳生物传感器，实现超灵敏大动态测量范围的生物分子特异性检测，在临床医学、疾病诊断及药物筛选等领域具有广阔的应用前景。目前，吴翔及合作者还将努力推进其未来在新型冠状病毒肺炎检测中的应用。

除此之外，集成硅光电子方向也是吴翔团队所关注的重点。众所周知，硅激光器是集成硅光电子芯片的基本元件，是实现集成硅光电子的关键。然而，硅自身的发光极弱，如何将硅处理成具有高增益的激光材料，一直是一个瓶颈问题。自2000年实验证明硅纳米晶材料可以实现光放大以来，这一瓶颈始终限制着硅激光器的发展。吴翔与复旦大学陆明教授和张树宇副教授团队合作，通过多年的创新开拓，成功研制出了世界上首个全硅激光器。此次研发的硅激光器与以往不同，它的发光材料（增益介质）是硅本身（硅纳米晶材料），激光器可做在硅芯片上，所以是真正意义上的全硅激光器。这种激光器不仅克服了半导体材料生长过程中会产生的晶格失配和工艺兼容性差的问题，同时，作为地表储备量第二丰富的元素，以硅做光增益材料也可以避免对稀有元素如镓、铟等的过度依赖。该研究是集成硅光电子领域近30年来取得的一项重大突破。

开展实验研究

科研落地与人才培养并行

始于兴趣，终于热爱。在吴翔看来，从事科学研究一定要找到自己发自内心喜爱的科研方向，持久做下去。“能够在兴趣的驱使下，纯粹地开展一些科研工作，这很重要。”吴翔说。在他看来，真正有价值的科研成果不是靠逼出来的，而是要通过自己全身心地投入到喜欢的事情中，方可做出一些成果。而吴翔也很庆幸，他能找到值得自己为之奋斗的科研方向。

现如今，吴翔最大的心愿就是要将科研成果尽快推广，真正造福社会。然而，这一梦想的实现任重而道远。“实际上，人体样本的检测和实验室还是有很大的区别，而要真正将其在医院进行落地，仍需要在实战中将核心技术进行检测和改进。”吴翔说。而这便是吴翔科研团队未来努力的目标。

特别是在全硅激光器方面，未来，合作研究团队还将进一步研发和完善电泵浦技术。通过向硅纳米晶激光器内注入电流，产生激光输出。以电发光，走完距离实际应用的最后一公里，促进全硅激光器的产业化发展。

科研工作之外，吴翔在人才培养上也投入了大量的心血。对于学生的培养，吴翔始终秉行着“因材施教，寓教于研”的原则。在他看来，每个学生都是不一样的，都有属于自己的个性与特长，如果培养方式过于僵化，则不利于每个学生的成长。因此，在学生引领层面，吴翔更倾向于在了解学生的基础上，对他们进行“推”和“拉”。“所谓‘推’就是将学生推出舒适圈，让他们有勇气去探索一些新东西。而‘拉’便是学生在研究过程中跑偏的时候，将他们拉回正路。”吴翔说。多年来，吴翔兢兢业业投入到教学工作中，带出了很多优秀的毕业生，值得一提的是，由他指导的研究生中目前已经有两人获得了“王大珩光学奖”。

踏踏实实做研究，是吴翔对自己的忠告，一路以来他也正是这样践行的。“心有所信，方能行远”——不管时间有多长，只要在这条道路上执着地走下去，吴翔坚信梦想都能落地生根。