方翀:利用超快光譜解碼分子世界

　　遠在大洋彼岸的美國俄勒岡州立大學是一所世界知名的研究型大學，該校傑出校友——美國著名化學家萊納斯·鮑林就曾憑藉在量子化學和結構生物學領域的傑出成就於1954年斬獲諾貝爾化學獎，成為20世紀對化學科學著名的科學家之一。

　　半個多世紀後，一位從江南水鄉無錫走出的中國青年科學家方翀，秉持著對超快光譜研究的熱愛，一路披荊斬棘，2011年以來，在該校以化學家「鮑林」命名的科學研究中心，創建了全球第一個用飛秒受激拉曼光譜來研究生物傳感器的實驗室和科研團隊，樹起了一個科研新標杆。

　　今年38歲的方翀現為俄勒岡州立大學終身教授。從一位名不見經傳的中國學子成長為在國際舞臺嶄露頭角的學科帶頭人，方翀用「不服輸」來概括這一路拼搏歷程。近日，面對家鄉記者的採訪，濃濃鄉情湧上他心頭：「人在海外，忘不了祖國家鄉，最思念無錫，尤其是無錫一中，培養出了我的那股子韌勁，成為我寶貴的精神財富。」

　　他致力於攻關艱深的基礎學科

　　方翀在海外從事的是超快光譜學領域的研究。走出國門前，他在中國科學技術大學讀的就是當時比較冷門的化學物理專業。「這是一門非常艱深的基礎學科，數理化都要學，相對比較枯燥。現在在俄勒岡州立大學，每年申請攻讀物化學科研究生的人數基本上不過10人，而申請材料學的，卻超過100人！」

　　方翀說，這主要是因為物化學科學起來特別苦，要出成績難，因此即使選擇自然科學領域，國內外不少學生也更願意去學生物化學、材料，如研究新能源等，「這些學科通過大量比照實驗，更易出成果、發論文。」而物化專業，通俗地講，就是用物理的方法來研究化學的基本規律，把化學反應中的「道理」給說清楚，因此研究人員也被形象地稱為「化學家中的哲學家」，其難度可見一斑。

　　說起方翀與物化學科的結緣，些許有些偶然。1996年方翀高考填志願時也想過報生物、電子等熱門專業，但由於高考發揮得不是特別理想，後來也確實是壓著線進入中科大，因此選擇餘地較小，他就進了化學物理系。「當時的想法是既來之則安之，但沒想到一旦鑽了進去，就樂在其中，對未知領域無盡的求知慾一直推動著我向前。」方翀回憶。

　　中科大的化學物理系是該校1958年建校之初，由著名科學家錢學森、郭永懷等人親自創辦的，尤其是那門「物理力學」可謂「國內首創」，教材是由錢學森直接從俄文譯至英文的。中科大深厚的學科積澱感染並激勵著方翀。2001年他以優異的成績拿到了化學物理和計算機應用雙學士學位從中科大畢業，並獲得了中科大本科生最高獎「郭沫若獎學金」，隨後赴美求學，攻讀物理化學及分子光譜學。

　　飛秒雷射揭開水母發光奧秘

　　老天總是特別眷顧勤奮之人。在美國，方翀有幸遇到了兩位化學界「火炬式」的人物，是他們讓方翀看到了基礎學科廣闊的發展前景，更堅定了科研理想。這兩位科學家，一位是方翀2001到2006年在美國賓夕法尼亞大學讀博期間的導師、美國超快光譜學領域泰鬥羅賓教授。另一位是方翀2007至2010年在美國加州大學伯克利分校進行博士後研究期間的導師馬西斯教授。

　　時間先要追溯到方翀讀博期間。他還記得，那是一個風雪交加的早晨，他開車前往新澤西州立大學的高新生物技術及藥物研發中心拿到了一個正在進行臨床測試的愛滋病藥物樣本。「不少藥物之所以能發揮藥效，是因為藥物分子的化學結構中有一些靈活的側鏈或功能基團。如愛滋病藥物治療中，這些側鏈可與病毒裡的酶結合，從而靶向阻止病毒對人體的攻擊。」方翀說，由於這一新型藥物分子的側鏈中有兩個非常難得的碳氮鍵，而不是經常觀測的碳氫鍵，所以教授布置了研究課題。拿到樣本後，他快馬加鞭地利用超快紅外光譜技術進行了一系列測試分析，順利地獲取了二維譜圖，為接下來的藥物研發打下基礎。後來這一成果，發表在2008年2月的《美國國家科學院院刊》上，封面寫有這樣一句導言：「靈活的分子藥物是解決病毒抗藥性的關鍵。」論文發表後，藥物的大規模臨床實驗也很快取得成功，藥物及時獲批投用了。

　　「可見，在藥物研究方面，光譜學的作用非同小可！它能加速藥物的研發過程。」方翀說，這是基礎研究與實際應用結合的極好範例。「就像我獨立工作後帶領團隊推出的新的生物成像技術，利用對超快光譜的分析，化學或生物反應可以像電影一樣一幀一幀地展現出來。」在方翀看來，不管是生物還是物質領域的研究，都可以通過拍攝「分子電影」的方式，得到化學反應最原初的過程。了解了反應機理，才能避免很多低效率的「試錯式」實驗，從而極大地推動產品的研發。

　　正是這次藥物實驗的啟迪，讓方翀日後的研究逐漸轉向了用飛秒受激拉曼技術來研究光敏蛋白質。他通過用一系列飛秒及皮秒（1飛秒只有1秒的一千萬億分之一，1皮秒等於一千飛秒）雷射照射形成的光譜，來對在飛秒至皮秒這一極短時間尺度內發生的化學反應進行跟蹤和分析。這也是方翀擔任博士後研究員時的主要課題。

　　2009年，方翀還有幸與到校訪學的華裔諾貝爾化學獎得主錢永健進行了一次深入交談。當時在馬西斯教授的辦公室，錢永健向方翀提了這樣一個問題：「你為什麼不研究那些基於綠色螢光蛋白的突變體呢？它們可能會有更大的實用性和可控性。」於是，一個念頭在他心頭萌生：「一定要去研究一個更複雜且精妙的體系！」

　　利用飛秒超快拉曼光譜技術，方翀和馬西斯教授等人共同完成了對綠色螢光蛋白發光機理的研究，揭開了其發光奧秘，研究成果於2009年11月12日發表在了世界頂級雜誌《自然》上，論文插圖還成為了雜誌封面。綠色螢光蛋白是上世紀60年代研究人員在發光水母中發現的，把這些能發光的蛋白「掛在」原本難以看清的細胞器上，人們便可以跟蹤細胞內部運動，它成為當代生物學重要的標記工具。文章的發表使得方翀一舉成名，也為他日後組建頂尖的科研團隊，開展基於綠色螢光蛋白的新型鈣離子生物傳感器研究奠定了堅實基礎。

　　「苦幹派」科學家呼籲沉下心來做學問

　　「兒子有苦行僧精神，是個實幹派！」方翀媽媽、江南大學退休教師彭老師這樣形容方翀。彭老師告訴記者，方翀之所以能有今天的成就，和他對科研的專一和精益求精的態度密不可分：「凡是他想要做的事，就非要做到完美不可。」彭老師說，方翀當了教授後，一天仍要工作十五、六個小時，有時候為了節省時間，吃飯買個漢堡就對付過去了。

　　談及這份執拗，方翀說這還和在無錫一中的讀書經歷很有關係。方翀回憶，當年的一中作為名校，匯集了全市好多尖子生。那時他們班上有位女「學霸」，幾乎每次考試都能得第一。方翀就和班上許多同學一樣，默默地努力趕超，漸漸培養出了一股子韌勁。「後來，這種不服輸的精神也陪我度過了在俄勒岡州立大學的一段艱難時光。」

　　2010年，方翀剛到俄勒岡州立大學工作時，學校的雷射實驗室還沒有建成，所以他和學生就在一個條件非常簡陋的教學樓裡建起了實驗室。他還記得，他們在一長排裝滿了抽屜的桌子上搭建光譜裝置。幾個月以後，他們發現，每次做實驗的時候，只要學生下課或外面有汽車開過，桌子就會震動。「一震動，雷射亂顫，就沒法做實驗了。」雖然條件惡劣，但絕不輕言放棄。他們巧妙安排時間，見縫插針地做實驗，最後在一個夜晚成功調出了想要的信號。

　　一年後，在新建成的鮑林科學研究中心，方翀終於有了嶄新的雷射實驗室並親自參與設計。

　　「在這個實驗室裡，所有的光學設

　　備被搭建在一個氣控的T型光學平臺上，24小時懸浮，即便外界再有震動也不會受到影響。」說起從無到有創建實驗室的過程，方翀感慨萬千。

　　「我覺得進行科學研究，就一定要能沉下心來做學問。」方翀如是認為，也是這樣踐行的。如今，作為學科帶頭人，方翀正帶領他的團隊潛心從事兩方面的研究。一是通過光化學技術，用更環保、高效的方法研發高質量的電子薄膜；另一方面是利用飛秒雷射技術來研究一系列的生物傳感器。「譬如，癌細胞在體內初期轉移時，鈣離子是很重要的信號。如果把螢光蛋白生物傳感器植入體內，當鈣離子濃度異常時，你就可以『看』到它。這對於早期檢測癌症轉移有非常重要的意義。」在對這些新興領域化學反應機理的研究上，方翀和他團隊的多個科研項目填補了國際空白，並於2015年受邀在美國及加拿大的30多所大學講學。

　　如今方翀除了要給每年近300名本科生教授量子化學及物化實驗，還帶了9名博士研究生，其中有5名是中國留學生。更讓他感到驕傲的是，他帶過的3名學生及博士後都已學成回國。其中的劉偉民博士，已於去年受聘於上海科技大學物質科學與技術學院，繼續從事飛秒拉曼光譜研究。劉博士歸國後還和方翀在國際刊物上共同發表論文。「我非常希望中國的超快光譜研究能獲得更多國際矚目的成就。」這是一個海外科學家的殷切期盼。

　　「無錫科教氛圍濃厚，開放創新充滿活力」

　　「5月底6月初就要回國與同行交流了。」對於即將到來的講學，方翀表示非常期待。

　　飛秒拉曼光譜技術，起步於美國。方翀介紹，目前國內研究這一領域的較少，主要在中科院化學研究所、廈門大學，還有就是上海科技大學。但令他高興的是，近年來，國內不少科研院校都對這一領域表現出了濃厚興趣。「這次回國，北大、北師大、中科院、復旦、上海交大等都熱情地邀請我去做報告。」方翀希望能通過這樣的機會把最新的研究成果介紹給國內學者，同時也鼓勵更多的年輕學子投身基礎科學的研究。在方翀看來，中國學生數理化基礎紮實，只要在知識的融會貫通和創新能力等方面更進一步，將來必定大有作為。

　　由於平日忙於科研，距離方翀上次回國還是五年前的事情了。2012年他多次回國探望重病的父親，並陪伴父親走完了人生最後一段時光。方翀說，他的父親也是一名教師，是江南大學教授，從小言傳身教，鼓勵他獻身科研，做出成績。談及家鄉無錫，方翀話語間充滿了眷戀：「無錫是一座充滿了溫情和水的城市。

　　在這裡我度過了人生中非常寶貴的時光。」方翀是在小學三年級時隨父母工作調動從合肥來到無錫的，先後在河埒中心小學、青山中學、市一中讀書。「特別是無錫一中，學習氛圍濃厚、師風淳樸，對我人生觀、價值觀的形成產生了深遠影響。」

　　這些年雖然身在海外，但方翀始終心繫祖國和家鄉的發展。他說，無錫科教氛圍濃厚，經濟發達，很早就有了工業園區，是一個充滿創新活力的開放型城市。特別是近年來，無錫在光伏產業、物聯網和超級計算機領域的發展速度之快令人振奮，無錫還屢次榮登國家宜居城市榜單，讓他感受到了這座城市深厚的底蘊和日新月異的變化。

　　「一個地方的長足發展離不開好的綜合性大學來支撐。」方翀認為，過去，無錫在技術應用科研領域的積極探索，為城市發展提供了強勁動力。他建議，下階段，無錫能引進或創建更多綜合性大學及高新技術研究所，不斷加大對基礎學科的建設力度，獲得更多前沿發現，從而搶抓高科技引領發展的機遇，進一步推進城市產業和社會經濟的發展。