中國粉體網訊 在門捷列夫元素周期表里，有一片由17種金屬元素組成的區域，它們在自然界中含量稀少，又常以氧化物的“土”顆粒狀態存在，因而被稱為稀土。稀土元素獨特的原子結構使其可以合成具有獨一無二光學特性的上轉發光材料（UCP）。在我國科研工作者的努力下，這種材料被廣泛應用于傳染病防控、臨床急診檢驗、食品安全篩查、生物反恐、毒品篩檢等多個生物檢測領域，為眾多應急行業解了燃眉之急。《基于稀土納米上轉發光技術的即時檢測系統創建及多領域應用》項目，近日獲2015年國家技術發明獎二等獎。
把論文變成產品困擾科學家
稀土納米上轉發光材料的制作方法與我國的陶瓷制作工藝類似，即把幾種稀土元素混合起來，在1000多攝氏度高溫爐子里燒制而成。項目負責人之一、軍事醫學科學院微生物流行病研究所楊瑞馥教授告訴記者：“自然界中普遍存在的發光現象都是‘下轉發光’，由高能量光激發，發射光按能量遞減規律向外發射。而上轉發光材料剛好相反，由于其內部發生能量躍遷，所以可使低能量的激發光上轉為高能量的發射光。這種人造的發光現象在自然界中是不存在的。”
稀土納米上轉發光材料在生物檢測中可以表現出更高的敏感性和特異性。楊瑞馥介紹，常用的免疫檢測試劑（如綠色熒光蛋白等）都是下轉發光，它們的本底熒光很高，需要借助專門儀器設備才能看到。而上轉發光材料沒有本底熒光，不用借助任何儀器就可以看得非常清楚，因此檢測的敏感性要比普通的下轉熒光高很多。
其實，科研工作者已經看到了稀土納米上轉發光材料的神奇之處，在國際上發表過相關科研論文的機構約有10家。但如何把論文變成產品，真正發揮這種材料的優勢，一直是困擾各國科研工作者的難題。
機會留給有心人
我國很多現場快速檢測試劑曾一度依賴進口。“這些試劑價格昂貴，且無法很好地實現多種有害物質同時定量檢測。加速研發擁有我國自主知識產權的監測試劑，一直是我們惦記的事。”楊瑞馥回憶項目起源仍難掩激動的心情。那是2000年的一天，軍事醫學科學院接到上海一家公司的來信，信上描述了稀土納米上轉發光材料，并稱他們正用這種材料生產消防和水下救援中指引道路用的發光繩，以及圣誕裝飾用的發光小禮品。他們認為這個材料一定還有更有價值的用途，正在尋求技術支持。
看到這封信，楊瑞馥立即與對方聯系。當時，對方經理正好在北京出差，兩人一拍即合，當場簽下合作協議。“我們約定，他們做材料，我們做生物學領域研發。”于是，軍事醫學科學院微生物流行病研究所和上海科炎光電技術有限公司開展合作，并在2002年成功建立以稀土納米上轉發光材料作為生物示蹤物的免疫層析技術平臺（UPT-LF）。
“從基礎研發到批量生產，最后形成銷售體系，我們是國際上唯一完成全部環節的團隊。這是因為團隊吸納了納米材料、生物技術、光機電、計算機軟件、流體動力學等多學科的人才，大家協同創新。”楊瑞馥歷數了研發團隊的壯大過程：2003年，中國科學院上海光學精密機械研究所加入，并成功研制定量分析免疫層析技術結果的UPT生物傳感器。2005年，完善形成UPT生物應急檢測系統，申請專利51項，建立涵蓋納米材料、生物檢測、智能傳感全技術環節在內的專利保護群。2007年，北京熱景生物技術有限公司加盟，推動產業化進程。2011年，研究團隊獲得第一個醫療器械注冊證書，成為國內第一個具有自主知識產權的定量即時檢驗技術平臺。
合理破解層析動力學之謎
面對心臟病突發的急診患者，3分鐘和15分鐘出結果，救治效果會大不一樣。楊瑞馥告訴記者，團隊的另一個重大突破就是摸清了免疫層析檢測的動力學之謎，大大縮短了檢測時間，并提高了試劑研發速度。
如果得知液體在試紙條上如何流動，就可以根據影響因素和過程有針對性地設計試紙，而這個規律一直鮮為人知。2012年，研究團隊獲得中國科學院力學所專家鼎力相助，找到了免疫層析的動力學規律。“我們知道了液體流動是如何受顆粒濃度、蛋白濃度、添加劑等因素的影響，就可以有選擇地調整條件，這使得試劑研發速度從過去的2個月～3個月提高到目前的2周～3周，層析檢測時間由原來的10分鐘～15分鐘縮短到3分鐘～5分鐘。楊瑞馥表示，現有免疫層析的弱點是液體和固體間的反應，單條檢測只能檢測一個靶標。“我們希望做多靶標的檢測，并研究液相的反應，試劑的穩定性、速度效率、敏感性都會更快。”
打破國際壟斷，保障生物安全
我國稀土礦石約占世界總儲量的43%，占世界稀土市場98%的份額，但長期以來始終局限于低端原料出口。研發團隊使稀土資源由低端礦石出口產業升級為具有國際競爭力的高新生物醫藥技術產業，開拓了稀土資源高附加值利用的新領域。
“我們的最大社會效益就是打破了國外產品的壟斷，過去國外相關儀器在中國賣16萬元，一張試紙條1000元，現在我們的儀器賣幾萬元，試紙幾十元。”楊瑞馥說。稀土納米上轉發光技術的核心產品已在700余家醫療機構、100余個疾控系統廣泛應用，并為重大活動提供了生物安全保障。研究團隊的全部成果在北京落地轉化，建立了日產稀土納米上轉發光材料1000克、試劑2萬份、生物傳感器10臺的3條生產線，獲醫療器械注冊證書15項。
把論文變成產品困擾科學家
稀土納米上轉發光材料的制作方法與我國的陶瓷制作工藝類似，即把幾種稀土元素混合起來，在1000多攝氏度高溫爐子里燒制而成。項目負責人之一、軍事醫學科學院微生物流行病研究所楊瑞馥教授告訴記者：“自然界中普遍存在的發光現象都是‘下轉發光’，由高能量光激發，發射光按能量遞減規律向外發射。而上轉發光材料剛好相反，由于其內部發生能量躍遷，所以可使低能量的激發光上轉為高能量的發射光。這種人造的發光現象在自然界中是不存在的。”
稀土納米上轉發光材料在生物檢測中可以表現出更高的敏感性和特異性。楊瑞馥介紹，常用的免疫檢測試劑（如綠色熒光蛋白等）都是下轉發光，它們的本底熒光很高，需要借助專門儀器設備才能看到。而上轉發光材料沒有本底熒光，不用借助任何儀器就可以看得非常清楚，因此檢測的敏感性要比普通的下轉熒光高很多。
其實，科研工作者已經看到了稀土納米上轉發光材料的神奇之處，在國際上發表過相關科研論文的機構約有10家。但如何把論文變成產品，真正發揮這種材料的優勢，一直是困擾各國科研工作者的難題。
機會留給有心人
我國很多現場快速檢測試劑曾一度依賴進口。“這些試劑價格昂貴，且無法很好地實現多種有害物質同時定量檢測。加速研發擁有我國自主知識產權的監測試劑，一直是我們惦記的事。”楊瑞馥回憶項目起源仍難掩激動的心情。那是2000年的一天，軍事醫學科學院接到上海一家公司的來信，信上描述了稀土納米上轉發光材料，并稱他們正用這種材料生產消防和水下救援中指引道路用的發光繩，以及圣誕裝飾用的發光小禮品。他們認為這個材料一定還有更有價值的用途，正在尋求技術支持。
看到這封信，楊瑞馥立即與對方聯系。當時，對方經理正好在北京出差，兩人一拍即合，當場簽下合作協議。“我們約定，他們做材料，我們做生物學領域研發。”于是，軍事醫學科學院微生物流行病研究所和上海科炎光電技術有限公司開展合作，并在2002年成功建立以稀土納米上轉發光材料作為生物示蹤物的免疫層析技術平臺（UPT-LF）。
“從基礎研發到批量生產，最后形成銷售體系，我們是國際上唯一完成全部環節的團隊。這是因為團隊吸納了納米材料、生物技術、光機電、計算機軟件、流體動力學等多學科的人才，大家協同創新。”楊瑞馥歷數了研發團隊的壯大過程：2003年，中國科學院上海光學精密機械研究所加入，并成功研制定量分析免疫層析技術結果的UPT生物傳感器。2005年，完善形成UPT生物應急檢測系統，申請專利51項，建立涵蓋納米材料、生物檢測、智能傳感全技術環節在內的專利保護群。2007年，北京熱景生物技術有限公司加盟，推動產業化進程。2011年，研究團隊獲得第一個醫療器械注冊證書，成為國內第一個具有自主知識產權的定量即時檢驗技術平臺。
合理破解層析動力學之謎
面對心臟病突發的急診患者，3分鐘和15分鐘出結果，救治效果會大不一樣。楊瑞馥告訴記者，團隊的另一個重大突破就是摸清了免疫層析檢測的動力學之謎，大大縮短了檢測時間，并提高了試劑研發速度。
如果得知液體在試紙條上如何流動，就可以根據影響因素和過程有針對性地設計試紙，而這個規律一直鮮為人知。2012年，研究團隊獲得中國科學院力學所專家鼎力相助，找到了免疫層析的動力學規律。“我們知道了液體流動是如何受顆粒濃度、蛋白濃度、添加劑等因素的影響，就可以有選擇地調整條件，這使得試劑研發速度從過去的2個月～3個月提高到目前的2周～3周，層析檢測時間由原來的10分鐘～15分鐘縮短到3分鐘～5分鐘。楊瑞馥表示，現有免疫層析的弱點是液體和固體間的反應，單條檢測只能檢測一個靶標。“我們希望做多靶標的檢測，并研究液相的反應，試劑的穩定性、速度效率、敏感性都會更快。”
打破國際壟斷，保障生物安全
我國稀土礦石約占世界總儲量的43%，占世界稀土市場98%的份額，但長期以來始終局限于低端原料出口。研發團隊使稀土資源由低端礦石出口產業升級為具有國際競爭力的高新生物醫藥技術產業，開拓了稀土資源高附加值利用的新領域。
“我們的最大社會效益就是打破了國外產品的壟斷，過去國外相關儀器在中國賣16萬元，一張試紙條1000元，現在我們的儀器賣幾萬元，試紙幾十元。”楊瑞馥說。稀土納米上轉發光技術的核心產品已在700余家醫療機構、100余個疾控系統廣泛應用，并為重大活動提供了生物安全保障。研究團隊的全部成果在北京落地轉化，建立了日產稀土納米上轉發光材料1000克、試劑2萬份、生物傳感器10臺的3條生產線，獲醫療器械注冊證書15項。
