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2017年04月21日 星期五

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年轻的他带领团队在物化学科领域勇攀高峰,多个项目填补国际空白——

方翀:利用超快光谱解码分子世界

□本报记者 王怡荻



  远在大洋彼岸的美国俄勒冈州立大学是一所世界知名的研究型大学,该校杰出校友——美国著名化学家莱纳斯·鲍林就曾凭借在量子化学和结构生物学领域的杰出成就于1954年斩获诺贝尔化学奖,成为20世纪对化学科学著名的科学家之一。
  半个多世纪后,一位从江南水乡无锡走出的中国青年科学家方翀,秉持着对超快光谱研究的热爱,一路披荆斩棘,2011年以来,在该校以化学家“鲍林”命名的科学研究中心,创建了全球第一个用飞秒受激拉曼光谱来研究生物传感器的实验室和科研团队,树起了一个科研新标杆。
  今年38岁的方翀现为俄勒冈州立大学终身教授。从一位名不见经传的中国学子成长为在国际舞台崭露头角的学科带头人,方翀用“不服输”来概括这一路拼搏历程。近日,面对家乡记者的采访,浓浓乡情涌上他心头:“人在海外,忘不了祖国家乡,最思念无锡,尤其是无锡一中,培养出了我的那股子韧劲,成为我宝贵的精神财富。”

  他致力于攻关艰深的基础学科

  方翀在海外从事的是超快光谱学领域的研究。走出国门前,他在中国科学技术大学读的就是当时比较冷门的化学物理专业。“这是一门非常艰深的基础学科,数理化都要学,相对比较枯燥。现在在俄勒冈州立大学,每年申请攻读物化学科研究生的人数基本上不过10人,而申请材料学的,却超过100人!”
  方翀说,这主要是因为物化学科学起来特别苦,要出成绩难,因此即使选择自然科学领域,国内外不少学生也更愿意去学生物化学、材料,如研究新能源等,“这些学科通过大量比照实验,更易出成果、发论文。”而物化专业,通俗地讲,就是用物理的方法来研究化学的基本规律,把化学反应中的“道理”给说清楚,因此研究人员也被形象地称为“化学家中的哲学家”,其难度可见一斑。
  说起方翀与物化学科的结缘,些许有些偶然。1996年方翀高考填志愿时也想过报生物、电子等热门专业,但由于高考发挥得不是特别理想,后来也确实是压着线进入中科大,因此选择余地较小,他就进了化学物理系。“当时的想法是既来之则安之,但没想到一旦钻了进去,就乐在其中,对未知领域无尽的求知欲一直推动着我向前。”方翀回忆。
  中科大的化学物理系是该校1958年建校之初,由著名科学家钱学森、郭永怀等人亲自创办的,尤其是那门“物理力学”可谓“国内首创”,教材是由钱学森直接从俄文译至英文的。中科大深厚的学科积淀感染并激励着方翀。2001年他以优异的成绩拿到了化学物理和计算机应用双学士学位从中科大毕业,并获得了中科大本科生最高奖“郭沫若奖学金”,随后赴美求学,攻读物理化学及分子光谱学。

  飞秒激光揭开水母发光奥秘

  老天总是特别眷顾勤奋之人。在美国,方翀有幸遇到了两位化学界“火炬式”的人物,是他们让方翀看到了基础学科广阔的发展前景,更坚定了科研理想。这两位科学家,一位是方翀2001到2006年在美国宾夕法尼亚大学读博期间的导师、美国超快光谱学领域泰斗罗宾教授。另一位是方翀2007至2010年在美国加州大学伯克利分校进行博士后研究期间的导师马西斯教授。
  时间先要追溯到方翀读博期间。他还记得,那是一个风雪交加的早晨,他开车前往新泽西州立大学的高新生物技术及药物研发中心拿到了一个正在进行临床测试的艾滋病药物样本。“不少药物之所以能发挥药效,是因为药物分子的化学结构中有一些灵活的侧链或功能基团。如艾滋病药物治疗中,这些侧链可与病毒里的酶结合,从而靶向阻止病毒对人体的攻击。”方翀说,由于这一新型药物分子的侧链中有两个非常难得的碳氮键,而不是经常观测的碳氢键,所以教授布置了研究课题。拿到样本后,他快马加鞭地利用超快红外光谱技术进行了一系列测试分析,顺利地获取了二维谱图,为接下来的药物研发打下基础。后来这一成果,发表在2008年2月的《美国国家科学院院刊》上,封面写有这样一句导言:“灵活的分子药物是解决病毒抗药性的关键。”论文发表后,药物的大规模临床实验也很快取得成功,药物及时获批投用了。
  “可见,在药物研究方面,光谱学的作用非同小可!它能加速药物的研发过程。”方翀说,这是基础研究与实际应用结合的极好范例。“就像我独立工作后带领团队推出的新的生物成像技术,利用对超快光谱的分析,化学或生物反应可以像电影一样一帧一帧地展现出来。”在方翀看来,不管是生物还是物质领域的研究,都可以通过拍摄“分子电影”的方式,得到化学反应最原初的过程。了解了反应机理,才能避免很多低效率的“试错式”实验,从而极大地推动产品的研发。
  正是这次药物实验的启迪,让方翀日后的研究逐渐转向了用飞秒受激拉曼技术来研究光敏蛋白质。他通过用一系列飞秒及皮秒(1飞秒只有1秒的一千万亿分之一,1皮秒等于一千飞秒)激光照射形成的光谱,来对在飞秒至皮秒这一极短时间尺度内发生的化学反应进行跟踪和分析。这也是方翀担任博士后研究员时的主要课题。
  2009年,方翀还有幸与到校访学的华裔诺贝尔化学奖得主钱永健进行了一次深入交谈。当时在马西斯教授的办公室,钱永健向方翀提了这样一个问题:“你为什么不研究那些基于绿色荧光蛋白的突变体呢?它们可能会有更大的实用性和可控性。”于是,一个念头在他心头萌生:“一定要去研究一个更复杂且精妙的体系!”
  利用飞秒超快拉曼光谱技术,方翀和马西斯教授等人共同完成了对绿色荧光蛋白发光机理的研究,揭开了其发光奥秘,研究成果于2009年11月12日发表在了世界顶级杂志《自然》上,论文插图还成为了杂志封面。绿色荧光蛋白是上世纪60年代研究人员在发光水母中发现的,把这些能发光的蛋白“挂在”原本难以看清的细胞器上,人们便可以跟踪细胞内部运动,它成为当代生物学重要的标记工具。文章的发表使得方翀一举成名,也为他日后组建顶尖的科研团队,开展基于绿色荧光蛋白的新型钙离子生物传感器研究奠定了坚实基础。

  “苦干派”科学家呼吁沉下心来做学问

  “儿子有苦行僧精神,是个实干派!”方翀妈妈、江南大学退休教师彭老师这样形容方翀。彭老师告诉记者,方翀之所以能有今天的成就,和他对科研的专一和精益求精的态度密不可分:“凡是他想要做的事,就非要做到完美不可。”彭老师说,方翀当了教授后,一天仍要工作十五、六个小时,有时候为了节省时间,吃饭买个汉堡就对付过去了。
  谈及这份执拗,方翀说这还和在无锡一中的读书经历很有关系。方翀回忆,当年的一中作为名校,汇集了全市好多尖子生。那时他们班上有位女“学霸”,几乎每次考试都能得第一。方翀就和班上许多同学一样,默默地努力赶超,渐渐培养出了一股子韧劲。“后来,这种不服输的精神也陪我度过了在俄勒冈州立大学的一段艰难时光。”
  2010年,方翀刚到俄勒冈州立大学工作时,学校的激光实验室还没有建成,所以他和学生就在一个条件非常简陋的教学楼里建起了实验室。他还记得,他们在一长排装满了抽屉的桌子上搭建光谱装置。几个月以后,他们发现,每次做实验的时候,只要学生下课或外面有汽车开过,桌子就会震动。“一震动,激光乱颤,就没法做实验了。”虽然条件恶劣,但绝不轻言放弃。他们巧妙安排时间,见缝插针地做实验,最后在一个夜晚成功调出了想要的信号。
  一年后,在新建成的鲍林科学研究中心,方翀终于有了崭新的激光实验室并亲自参与设计。
  “在这个实验室里,所有的光学设
  备被搭建在一个气控的T型光学平台上,24小时悬浮,即便外界再有震动也不会受到影响。”说起从无到有创建实验室的过程,方翀感慨万千。
  “我觉得进行科学研究,就一定要能沉下心来做学问。”方翀如是认为,也是这样践行的。如今,作为学科带头人,方翀正带领他的团队潜心从事两方面的研究。一是通过光化学技术,用更环保、高效的方法研发高质量的电子薄膜;另一方面是利用飞秒激光技术来研究一系列的生物传感器。“譬如,癌细胞在体内初期转移时,钙离子是很重要的信号。如果把荧光蛋白生物传感器植入体内,当钙离子浓度异常时,你就可以‘看’到它。这对于早期检测癌症转移有非常重要的意义。”在对这些新兴领域化学反应机理的研究上,方翀和他团队的多个科研项目填补了国际空白,并于2015年受邀在美国及加拿大的30多所大学讲学。
  如今方翀除了要给每年近300名本科生教授量子化学及物化实验,还带了9名博士研究生,其中有5名是中国留学生。更让他感到骄傲的是,他带过的3名学生及博士后都已学成回国。其中的刘伟民博士,已于去年受聘于上海科技大学物质科学与技术学院,继续从事飞秒拉曼光谱研究。刘博士归国后还和方翀在国际刊物上共同发表论文。“我非常希望中国的超快光谱研究能获得更多国际瞩目的成就。”这是一个海外科学家的殷切期盼。

  “无锡科教氛围浓厚,开放创新充满活力”

  “5月底6月初就要回国与同行交流了。”对于即将到来的讲学,方翀表示非常期待。
  飞秒拉曼光谱技术,起步于美国。方翀介绍,目前国内研究这一领域的较少,主要在中科院化学研究所、厦门大学,还有就是上海科技大学。但令他高兴的是,近年来,国内不少科研院校都对这一领域表现出了浓厚兴趣。“这次回国,北大、北师大、中科院、复旦、上海交大等都热情地邀请我去做报告。”方翀希望能通过这样的机会把最新的研究成果介绍给国内学者,同时也鼓励更多的年轻学子投身基础科学的研究。在方翀看来,中国学生数理化基础扎实,只要在知识的融会贯通和创新能力等方面更进一步,将来必定大有作为。
  由于平日忙于科研,距离方翀上次回国还是五年前的事情了。2012年他多次回国探望重病的父亲,并陪伴父亲走完了人生最后一段时光。方翀说,他的父亲也是一名教师,是江南大学教授,从小言传身教,鼓励他献身科研,做出成绩。谈及家乡无锡,方翀话语间充满了眷恋:“无锡是一座充满了温情和水的城市。
  在这里我度过了人生中非常宝贵的时光。”方翀是在小学三年级时随父母工作调动从合肥来到无锡的,先后在河埒中心小学、青山中学、市一中读书。“特别是无锡一中,学习氛围浓厚、师风淳朴,对我人生观、价值观的形成产生了深远影响。”
  这些年虽然身在海外,但方翀始终心系祖国和家乡的发展。他说,无锡科教氛围浓厚,经济发达,很早就有了工业园区,是一个充满创新活力的开放型城市。特别是近年来,无锡在光伏产业、物联网和超级计算机领域的发展速度之快令人振奋,无锡还屡次荣登国家宜居城市榜单,让他感受到了这座城市深厚的底蕴和日新月异的变化。
  “一个地方的长足发展离不开好的综合性大学来支撑。”方翀认为,过去,无锡在技术应用科研领域的积极探索,为城市发展提供了强劲动力。他建议,下阶段,无锡能引进或创建更多综合性大学及高新技术研究所,不断加大对基础学科的建设力度,获得更多前沿发现,从而抢抓高科技引领发展的机遇,进一步推进城市产业和社会经济的发展。
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