找准SERS技术与拉曼仪器结合点 应用才能落地——访上海师范大学化学与材料科学学院杨海峰教授

2019-01-08 21:44:41 vela 4

    认识杨海峰教授是在一次学术会议上,吸引笔者注意的是他的工作落脚点在实际应用,这与大多数高校中的科研工作者有很大的不同。而在本次采访中,杨海峰教授也多次强调,其目前的工作目标就是将自己的科研成果产业化,真正应用在实践中。

  对于表面增强拉曼散射(SERS)的研究,中国目前大多还处于基础科研阶段,真正应用到实际案例的并不多。杨海峰说,如何找到SERS和应用端(比如拉曼仪器)的结合点至关重要,只有资本、仪器制造、解决方案构建、应用市场多方协同,拉曼光谱才可能早日真正走入生活,服务人民。

  日前,仪器信息网特别采访了杨海峰教授,请他对SERS以及拉曼光谱应用研究的现状、存在的问题、未来的发展等谈谈自己的看法。

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上海师范大学化学与材料科学学院 杨海峰教授

  1997年,杨海峰是上海师范大学物理化学硕士研究生时,开始进行生物分子电极表面吸附行为的拉曼光谱电化学研究,在国内算是较早期在相关领域开展研究工作的;1998年10月到1999年10月,在日本京都教育大学物质科学部研修现代光谱分析,利用极端紫外K层激发-TOF技术研究生物小分子结构;2002年,进入湖南大学攻读博士学位,师从俞汝勤院士、沈国励教授和章宗穰教授,将光谱电化学、单分子自组装和拉曼化学成像技术相结合,观察多吸附位点单分子层在电极上的电化学调控行为。

  多方齐头并进 SERS研究是主攻

  据杨海峰介绍,其课题组团队目前有7位教师,40多位研究生,学生自称“拉曼无敌团队”,来自分析化学、高分子材料、制药过程控制技术等多个专业领域。基于学科交叉,课题组研究有较大的延展性,涉及表面光谱电化学;SERS探针在生物、医学、食品和环境中的传感应用;二维基底制备与化学成像及燃料电池等。以上四个方向中,目前的主攻方向是SERS探针构筑、二维基底制备及其分析应用研究。

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杨海峰教授课题组

  其中,SERS探针研究目标是实现现场快速传感,主要应用于食品安全、环境监测等方面;二维基底研制的目标是开展化学成像,针对细胞和药物的作用机理、细胞对环境应急反应等。杨海峰说,后者是他们目前刚开始做,当然分析手段不局限于拉曼光谱。

  从光谱电化学到拉曼探针;从电极处理到高稳定高灵敏SERS基底研制,杨海峰课题组取得了一系列的成果。特别是2008年到2012年之间,在SERS基底的合成及应用方面都取得了进展,与国家食品质量监督检验中心合作进行了农残、塑化剂、乌洛托品、硫氢根、苯并芘、罗丹明B等一系列食品安全方面的检测;杨海峰课题组还对SERS基底进行功能性拓展,开展了磁优化SERS技术的研究,实现了样品的快速分离富集,对果蔬表面的农残检测灵敏度可达fmol级。谈及这些工作时,杨海峰还提到一个个得意门生,朱璇、王娜、杨天溪、徐丽......对他们辛勤而有创新的工作给予肯定。

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磁优化SERS技术检出唾液中痕量毒品代谢物

  对于一路走来的科研经历,杨海峰回忆说,之前读研和刚开始独立研究阶段,发文章会很开心,其中在湖南大学三年读博期间就以第一作者发了6篇学术论文,获得全国百篇优秀博士论文提名奖。在实验室浸染久了,目标和兴趣发生了变化,科研应该体现生产力,好的分析方法必须有实际应用,形成技术解决方案。

  没有普适性SERS基底,不同分析对象就要针对性设计

  SERS技术是拉曼光谱领域发展最快的技术,实际应用已引起业界关注和期待,但基底普适性差、稳定性差、灵敏度低等瓶颈问题也很明显,是大家普遍讨论的话题和众多研究的热点。

  “当前,SERS基底大都用经典的方法合成,在实验室短实验周期内尚可使用,但实际应用时就有不稳定的问题。”杨海峰介绍说,“目前SERS基底真正在售的比较少,我们合成了长达18月稳定的基底,达到市售要求,但出货率不高,问题是普适性不高,有些样品SERS信号非常好,有些差强人意。”

  针对普适性这个目前业界难以解决的问题,杨海峰有自己的见解,他说,“原来我一直在考虑普适性的问题,但是现在观念完全改变了,其实没有普适性,必须有针对性。”所谓的针对性就是必须针对某个样品,开发一个针对性的SERS基底,在实验室里必须把科学问题和技术问题都搞清楚,在此基础去构筑专一的SERS探针,并同时提供可行的整套的分析技术解决方案。

  “对于应用的要求,一是基底灵敏度高、稳定性好、选择性好;二是基底要跟方法学及拉曼仪器再开发结合起来。”杨海峰举例到,通常拉曼仪器用光纤探头采样,针对的是袋装/瓶装样品,但是这种探头接触式不利于基于SERS基底的分析,仪器制造厂家要根据需求专门定制,针对性涉及各个方面。

  找准SERS基底和小型拉曼的结合点至关重要

  毋庸置疑,SERS快速检测离不开小型拉曼光谱仪器的发展,反之,小型拉曼的市场生命力在一定程度上依赖于SERS基底的发展。比如,仪器越小型化,相应的性能如灵敏度就越差,这部分的损失完全可以靠SERS效应来弥补。

  “就现在局势看,仪器‘走’得快,SERS基底‘走’得慢,SERS基底制备有进步但未达到期望的水平。如何将二者更好融合?找准SERS基底和小型拉曼的结合点至关重要!”杨海峰强调说,“大家不要把SERS技术和拉曼光谱仪混同起来,拉曼光谱仪早就有应用市场了,比如在制药行业、毒品稽查方面应用都很成功,相关的仪器厂家在此领域所占份额也不少,但SERS技术还在困境里,灵敏度、稳定性、普适性或者选择性,仪器定制化等问题解决依然在路上。”

  据悉,杨海峰曾花了三年时间来做SERS技术在唾液中或指纹里痕量精神药物的分析应用,最后发现,单靠高校技术支撑是远远不充分的。“SERS基底研究和技术应用,即便我们做研究的很专业,但购买使用的用户是不专业的,如何让他们用好,我一直没找到仪器和基底最佳的结合点。”

  杨海峰说,“非常期待SERS基底和小型拉曼光谱仪,在形成技术解决方案时,有技术公司早期参与,由它来牵头进行技术产业化过程。只有产、学、研、仪器厂家,以及市场五方联动,才有可能找到技术应用的途径和出口;小型拉曼仪与SERS基底的完美结合,应用才能实实在在落地,才能进入家庭,才能发展成为POCT的基础手段之一。”

  采访中,杨海峰同时指出,拉曼光谱真要走向应用的话就要离开实验室,走向社会。只是当前,很多单位买了仪器却没有用起来,究其原因是针对性的拉曼光谱分析解决方案还比较欠缺。对此,杨海峰说,在开发初期,仪器研发与解决方案提供方就要洽谈融合在一起,最后应该没有拉曼的概念,只有农残分析仪、癌症早期筛选仪、毒品检测仪等。基于此,杨海峰呼吁仪器厂家和科研机构在仪器开发的早期就展开合作,一起寻找彼此的契合点。

  SERS落地开花一定需资本推动

  对于未来的市场前景,杨海峰看得更远。据他介绍,现在走入家庭的血糖仪,已经产生了巨大的市场利润,但是这属于化学类别唯一成功的典范。“如果拉曼变成手机附件的一部分,变成玩具了,或许将是人类第一款能进入家庭的科学仪器,就可以解决大健康、食品安全的检测、珠宝鉴定等很多让现代的人们一直比较纠结的事情,拉曼可能是第一个真正走进大众生活的‘高端’仪器。”杨海峰展望到。

  “当然,如果能实现如上的设想,SERS基底也会卖得很好,我们就可以开发出很多专用的探针。所以我现在的目标是,针对一个体系就开发一种探针,这个探针只测一样东西,未来的前景非常大。”

  不过,前景是美好的,过程却很现实。杨海峰说,SERS技术要成功最后一定要有资本的推动。资本、转化、技术、目标应用市场,这四部分一定是成功故事的全部。

  “产业化和单纯科研有差异大,一个方法从后台要走到前台应用,必须从产业化的角度来考虑原来所有技术方案的设计,包括每一个细节,温度、湿度,甚至器皿,这些都是我们之前不曾考虑的。只有在资本推动下,工艺在每个细节上都从转化角度考虑周全,科研将转化作为目标,才能走对方向。”

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杨海峰研究团队成功承办全国第二届生物医学拉曼光谱学术会议

  后记:本次采访,笔者又认识到了杨海峰教授的另一面,他是一位善于思考,善于取长补短,善于剖析自己的科研工作者。不仅如此,他还能跳出自己的圈子,用发展的、商业的眼光去展望未来技术的发展。

  采访过程中,他多次强调:一个人的力量是不够的。他说,SERS技术要实现最终实用的目标,仪器、基底、解决方案;技术、企业、转化、资本、市场等一个也不能少。但这不是一个人能完成的,也不是一个单位可以搞定的,需要有人牵头,大家一起携手打造,最终的目标不是为了发文章,而是为了解决实际问题。采访的最后,杨海峰教授说:“我非常希望SERS基底与小型拉曼最后‘结婚’了,举行一个很好的‘婚礼’,得到很好的发展结果。”

[来源:仪器信息网]