解决光谱仪小尺寸与高性能兼具的难题

　　范番

　　科研成就

　　杨宗银最知名的研究工作是研发了世界上最小的光谱仪，他提出了一种全新的结构，用半导体纳米材料替代了传统光谱仪中用到的光栅、探测器阵列和准直光路等大元件，结构非常简单，因此尺寸能缩小为传统光谱仪的千分之一。该光谱仪可用于单细胞高光谱成像、光谱监测和筛选。

　　此外也可通过材料的替换，使该微型光谱仪的工作波段从可见光延伸到中红外，从而开拓出更多的应用，如血糖检测。凭借在半导体光电子领域的研究成果， 他在 Science、Nature Communication、ScienceAdvances、Advanced Materials 以及 Nano Letters 等世界顶刊上发表论文38 篇，其中，在Science 上发表论文3 篇（其中一作2 篇）。

　　突破空间色散极限，研制出世界最小光谱仪

　　“肉眼所见的世界，或许并非真实的世界，只是红绿蓝三色在我们脑海中的投影。”

　　1666 年，牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到更多光谱色，这个实验推动了光谱仪的诞生。

　　光谱仪在科研和工业生产中应用广泛，大部分光谱仪体积庞大，工作原理仍和牛顿当年的实验相似，已无法满足日益发展的光谱应用技术需求。但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪检测质量显著下降，光谱仪微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

　　300 多年后，一名来自中国浙江的年轻学子负笈剑桥，来到牛顿曾灵感迸发的地方。在这里，他突发奇想，希望研制出一种新型的纳米线材料，进而突破在微米尺度上实现大光谱范围色散的科学难题，解决传统光谱仪小尺寸与高性能无法兼具的挑战。

　　这样一个仅有头发丝直径千分之一的器件，杨宗银前前后后研究了8年，失败了150 次。跟所有科研攻坚的故事一样，他学会了与失败相处，并把每一次失败视作宝贵的改进经验，持之以恒，不断挑战。

　　回顾那段岁月，杨宗银每天都是剑桥大学电子工程系实验楼最晚走的那个人，“很煎熬也很值得”，这培养了其日后沉下心来做科研的品格。

　　“每天晚上大概10 点多做完实验，骑车穿过灯红酒绿的剑桥市中心，看到大家都穿得很漂亮，在酒吧放松。内心也会动摇，是否没有融入当地生活。但一想到，如果有可能把这个工作做出来，就能开拓一个新的领域，就很兴奋地骑车回家，然后第二天又信心满满地去实验室。”

　　2018 年8 月，在一个周六的晚上，杨宗银在实验室测量到了信号，有点不敢相信自己的眼睛，验证了多次都和商用光谱仪测量结果相符。他在日记中写道：“那一刻百感交集，想到这几年的种种经历，一个人在实验室呆坐了好久好久。”

　　杨宗银最终凭此开发出世界上最小的光谱仪，其器件尺寸仅几十微米，通过进一步开发，可内嵌到手机、无人机以及可穿戴设备中。未来，用手机扫一扫，检测一下蔬菜瓜果农药残留，“读出”牛奶里是否含有三聚氰胺……这些科幻片里的情景，很可能变成现实。

　　天才往事

　　家在温州苍南的杨宗银，从小对各种科学问题充满兴趣，但当时物质条件不太丰裕，没有玩具，他就以拆电器、制作小发明为乐。为此，他也没少挨父母批评。他总是会把家里收音机、闹钟甚至电视等拆开，研究其中的机理。“其实很多时候是因为没有配件店，所以只能拆东墙补西墙。”为此，他制作出随着光照自动响的闹钟、光控灯等小发明。

　　循着梦想的轨迹，他考上了浙江大学机械系本科，硕士保送到心仪的光电子研究领域，随后拿到了全额的奖学金赴剑桥大学读博，并接过牛顿的思考，推动光谱仪进入纳米时代，有可能创造出更大的技术应用前景。

　　如今，学有所成的杨宗银回到了母校浙大任职，专注于将光谱仪微型化的成果转化为产业应用，无创血糖检测是核心应用场景之一。由于亲友中有糖尿病患者，杨宗银看到糖尿病人在生活上的诸多不便，“每天都要扎手，这个真的很难受，中国的糖尿病人有上亿之多，希望光谱仪的技术能够推广下去，真正帮助到他们。”

　　人物自述

　　“我从小就喜欢做电子机械相关的一些研究。最喜欢的动漫是机器猫，哆啦A 梦。我觉得这个是我人生的追求，创造更多好玩的发明。”

　　“当时去到剑桥的时候也非常激动，就看到那棵砸中牛顿的苹果树后代就种在剑桥三一学院门口。当时很震撼，离梦想中的科学家这么近。我们当时发表的那篇Science 论文，剑桥大学新闻稿用的标题就是超越牛顿光学实验的极限，就在牛顿光学的基础上做得更小，确实是有受他这个启发，而且刚好是在剑桥，这个确实冥冥中有所关联的。”

　　“你做的研究，要么上货架，要么进教科书，如果两点都能做到，人生就真的非常完满了。”