让科技引领健康生活

演讲者：清华大学 鲍捷    

    在不品尝的前提下，如何在水果店挑选出最甜的苹果？除非你有像二郎神一样的“眼睛”能够看透物质的成分，或者你是大力士，能够携带千斤重的科学仪器来检测苹果的含糖量。

    但这些神力都不是你我这样的凡人能够具备的。那么，如何让普通人拥有一双慧眼去甄别物质的成分？我现在在做的量子点光谱仪就是一个让大家都能变成像杨戬一样的神器——这个传感器通过辨析光波，可以分析物质的内在成分。

    想到做量子点光谱仪，是2010年我在美国麻省理工学院做博士后研究期间冒出的想法。

    大家都知道，太阳是我们地球上的人类最常见的光源，人类是在太阳附近进化出来，因为我们的眼睛进化过程实际上受到太阳温度的控制。太阳的温度决定了发射出来的太阳光的主要波长在500纳米左右，我们能看到的可见光的波长也在500纳米附近。比200纳米波长更短的光，一般被称为紫外线，对人类的皮肤有一定的破坏作用。

    根据美国疾病控制和预防中心的研究，阳光中的紫外线在短短15分钟内就会破坏皮肤，过度暴露在阳光下可导致皮肤癌。而美国人特别喜欢晒太阳，白人自身又缺乏黑色素，很容易得皮肤癌。

    根据美国癌症协会的统计，大约五分之一的美国人在一生中的某个阶段会得皮肤癌。最致命的一种皮肤癌，就是由于暴露于紫外线下造成的。我的一个美国朋友就因为晒太阳患了皮肤癌。这种病又不容易在早期发现，医生根据经验去判断，没有一个很好的预防、观察手段。所以，我想到利用量子点光谱仪检测紫外线分布和指数高低，给人们一个及时的预警提示。同时，量子点光谱仪还可以辅助病人的诊疗，病人每天用光谱仪检测身体要比肉眼观察更方便。

    除了检测紫外线，借助量子点光谱仪，大家在买药的时候，可以自己检测药物成分；买肉的时候，可以检测出肉的脂肪含量；买卫生纸的时候，可以检测荧光剂是否超标；买电脑的时候，可以检测显示器的蓝光辐射剂量有没有超标；出门的时候对着空气照一下，还能检测PM2.5是否超标。当然，即使你检测出来PM2.5超标了，也不能作为你不上班的理由，除非你的老板也拥有一台量子点光谱仪。所以，给你的老板也送一台吧。

    光谱是物质的指纹，光谱仪就是检测物质指纹的工具。不同的物质，发射的光波不同，这就好像是与生俱来的身份证。是辨别物质最简单，最准确的方式。人眼可分辨的光波范围被称为可见光，但物质时时刻刻发出的光波中大多数不能被人眼分辨，而光谱仪就是能够分辨所有光波的神奇眼睛。通过分析不同物质的发光和吸收光的情况，可以测定物质的元素。

    目前，光谱仪被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等检测中。但它属于实验室设备，对于普通老百姓来说，它体积大、又很重、价格高，操作起来很复杂。

    光谱仪器的发展经历了漫长的时间，最初牛顿发现一束白光透过棱镜可以被分成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色组成的光带，这是最早人们认识到光谱的存在。后来，人们发现光栅也可以把光分开，而且它对光的解析能力比棱镜强大许多，发展到今天，几乎所有的光谱仪均是基于光栅的光谱仪。光栅易损、体积大、加工复杂、成本高，而且要达到好的分光效果所需的光程也较长，这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大，成本昂贵。

    为了让光谱仪小型化，使用起来更便捷，科学家们一直在通过改进技术为光谱仪“瘦身”。但遗憾的是，迄今为止，传统的光谱仪仍然笨重且造价高。所以，造出一台体积小、重量轻、操作简便的光谱仪安装在手机上，使手机等便携设备具备物质成分分析和检测功能，应用价值将会非常大。

    大家设想一下，在全民光谱照相时代，用手机拍一下就知道一杯牛奶是否变质，用手机照一下就知道今天PM2.5的指数是多少，用手机拍自己就知道自己是否健康……这些都将被量子点光谱仪所实现。

    目前大多数微型光谱仪仍利用光的干涉原理，用光栅将复杂的光分解为光谱线。但这限制了光谱仪的效率、分辨率和光谱范围。而量子点光谱仪则用量子点代替了传统的光栅。

    与光栅不同，量子点本身对光具有吸收性能，不同大小的量子点可以吸收不同波长的光，在光谱仪中用量子点来代替光栅，可以实现多波长测量同时进行；将不同种类的量子点集中在一张薄膜上做成的光谱仪，可以实现对多组份同时进行测量，提高光利用率。

    量子点又称为“纳米晶”，粒径一般介于1到10纳米之间，只有头发丝直径的万分之一。由于非常微小通常被制成溶液形态。由于其发射光谱可通过改变量子点的尺寸来控制，通过改变量子点的尺寸和化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。基于这一特点，用量子点替代光栅作为新光谱仪的光谱分析器件，并利用195种胶体量子点纳米材料和一个普通数码相机所用的图像传感器制成微型光谱仪，能够检测小到1纳米的光谱位移。

    简单来说，这种新型的纳米材料赋予了光谱仪轻盈的身躯，量子点光谱仪的核心部件只有指甲盖大小，这使得量子点光谱仪可以安装在手机上，用起来就像用手机照相一样简单。

    量子点光谱仪在成本方面与现有微型光谱仪相比也有很大的优势，一台量子点光谱仪内所含量子点的量不到1毫克，而现有实验室量子点材料的合成水平已经达到几克、十几克，工业上甚至可以达到千克甚至吨的水平，所以一台量子点光谱仪所需量子点的成本远低于几元钱。

    其实，照相机在很早以前体积也很庞大，随着科技的发展，照相机的体积变小能够安装在手机上了。量子点光谱仪做的事也像手机摄像头一样，将大型光谱设备转化为微型传感器，成为人们的第三只眼睛。

    我在读本科和硕士期间，学习侧重基础理论，后来在博士后研究期间，我希望能从事应用方面的研究，我所在的课题组是国际上最早做量子点的组之一，课题组研究人员近年来致力于量子点在不同方向上的应用研究，比如太阳能电池。

    我最初也是做量子点在太阳能电池领域的研究，但我后来发现，量子点太阳能电池在稳定性、效率方面都有限制，所以我想做一个短期内就能实现的项目，于是就开始对量子点光谱仪进行研究。并将这个想法在美国申请了专利。

    灵感对于一项科技发明很重要，但在我看来，光有灵感还不行，科研发明最终的目的是能够服务于人们的生活，给人们提供生产、生活上的便利。所以，我并没有满足于想法得到美国方面的认可，我的最终目标是，让量子点光谱仪产业化。而能够支撑我将想法变成现实的路径就是回国创业。

    2013年我回到母校清华大学后，在电子工程系任教，并继续从事量子点光谱仪的研究。目前，实验室样机已经完成，传感器的材料、工艺也进一步得到完善。这款仪器不仅可以方便我们的日常生活，在工业、农业领域同样能发挥作用，比如，用量子点光谱仪检测土壤、农作物生长情况，及时提供相关信息和数据，可以帮助农民提高农作物产量。现阶段，有很多领域的企业对量子点光谱仪感兴趣，我们也正在跟这些企业展开合作。

    在美国的时候，量子点光谱仪还只停留在设想阶段，我申请的专利也只是一种想法，并没有制成完整的实验室样机，我是回到清华大学以后，继续研发量子点光谱仪，并最终完成样机制造。

    我研发量子点光谱仪的目的是为了让这款发明得到应用，而商业化是最快的方式之一。我很庆幸自己的发明能够诞生在这个鼓励创新的时代，这为量子点光谱仪实现商业价值创造了很好的条件，同时，清华大学给了我很多帮助，尤其是在科技成果转化方面给予了支持。例如，为了让产品能够实现商业化，我成立了QDchip公司，专门研发便携式光谱传感器。大家都知道，在北京吸引人才的条件除了职位、薪酬以外，再就是北京户口。得益于各方面的支持，我的公司也能为员工解决北京户口。

    冒出做量子点光谱仪的想法，除了灵感之外，再就是扎实的知识储备。2002年，我在清华大学化学系读书期间学习的是纳米材料及纳米技术；2006～2010年在美国布朗大学读博士时，专业是光谱仪方向的研究。所以在博士后期间，我想学以致用，做出能够跟大家日常生活紧密结合的发明。

    量子点光谱仪是我专业组合在一起的交叉领域。所以我想说，我们的兴趣爱好真的应该广泛一些，如果我只学习纳米材料或者光谱仪，就可能想不到量子点光谱仪了。我也经常这样鼓励清华的师弟师妹，大学期间应该培养一种探索精神，一个科学家不应该只闷头在实验室做实验，他应该是一个兴趣广泛，喜欢探索的人。

    在大学期间，我参加过社工、校军乐队等各种实践活动，还参加过射击比赛。我大二的时候在射击课上被教练选中参加射击训练，在延庆练习了一个暑假的步枪射击，溅的面脸都是油污，但是最后我们代表清华大学参加全国大学生射击比赛，并拿了冠军。

    我认为，除了具备探索精神，还应该热爱生活。我期待自己吃的食品更安全、呼吸的空气更新鲜、身体更健康，这也是我研发量子点光谱仪的初衷——让科技引领健康生活。