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20年打造分子机器“梦工厂”
——记中科院院士,上海市科技功臣田禾
2020年05月19日  作者:刘禹   编辑:ydm   审核:杨冬梅  版面:A1

低调,是中国科学院院士、华东理工大学教授田禾留给记者的最深印象。

在网上搜索“田禾”,除了团队的研究成果,几乎没有什么其他信息。他接受记者采访的次数寥寥,就连学校领导也很难做通他的“思想工作”。他本人也开玩笑说:“有点怕记者。”

这位低调的院士,却对科学前沿非常敏锐。从国际上最早开展染料敏化太阳能电池研究,到最早报道“可锁”的分子机器相关研究,田禾瞄准分子工程研究领域最前沿的同时,深度挖掘社会需求,在有机功能材料与染料的基础研究和技术开发方面硕果累累,获得2019年度上海市科技功臣奖。

紧贴国家需求,解决“卡脖子”难题

1978年,田禾考上大学,读的是南京理工大学化学化工学院炸药专业。40多年过去,当时社会上广为流传的口号他还记得清清楚楚:落后就要挨打!

时代的底色也深深印刻在田禾的心里。从大学开始,科技强国就成了他的信念和初心,并贯穿始终。

上世纪90年代,在智能电子产品出现之前,光盘还是人们最常用的影像制品之一。然而生产可录式光盘所需要用到的关键染料,国内当时却无法自主生产。

田禾团队采用独创性的关键中间体的合成方法, 采用2-苯酚为起始原料, 避免了致癌且已被国际上禁用的2-苯胺原料,工艺过程简单;并降低了该中间体的生产成本,解决可录式光盘关键染料“卡脖子”的技术难题,使我国成为当时少数有能力生产该类有机材料的国家之一。该成果获得2000年度国家科技进步奖二等奖。

此外,田禾团队研发的光变色浓缩液、光变色树脂研究成果成功应用于变色镜领域,支撑民族企业占领浇注变色全球市场60%以上份额。

紧贴社会需求,田禾始终将国家需求放在科研工作中最重要的位置。

“可能失败的,我先来试”

除了紧贴国家需求,田禾还始终走在国际相关科研的最前沿。

2016年,人工分子机器的设计与合成相关成果获得当年的诺贝尔化学奖。所谓分子机器,是模拟和参照宏观机器进行制造的,但在分子的层面上,比头发还要细很多很多。

田禾解释说,宏观机器由机器的元件组装,而分子机器则是将各个分子单元组装在一起,在电能、化学能或是光能等外界的刺激下,实现分子机器的运转。因其极为微小的尺寸特征,在微观世界里应用前景广阔。

然而,在20多年前,说起分子机器,国际上从事相关研究的人屈指可数。即使是现在,分子机器还是非常前沿的领域,其应用研究还在初期阶段。

前沿,也意味着挑战和失败。1999年前后,田禾率先开展分子机器的研究。“可能失败,但我不怕,我愿意先来试一试。”

20多年来,田禾带领团队坚持不懈,在基础研究方面取得了众多突破。2004年,他首次提出用荧光信号来表征分子机器运动状态的思路,构建了一系列光学输出信号的功能分子机器,解决了分子尺度上精确表征分子机器运动的关键问题。在此基础上,还创新发展了微观分子机器在界面定向排列的方法,实现了分子机器在微纳米尺度下的功能输出。

 (下转03版) (上接01版) 

2013年,田禾带领团队开创性地将动态共价键、非共价键及光响应基团等引入到超分子聚合物中,发展了一系列具有自修复功能的聚合物,极大拓展了超分子聚合物在生物及智能材料领域的应用。

2015年,田禾等原创性地提出“振动诱导发光”(VIE)这一新概念和新的分子发光机制,构建了一系列具有VIE特性的吩嗪类探针分子,并实现对其发光波长和功能响应的精准调控。此后,振动诱导发光机制开始受到国际学界的广泛关注。

2017年,诺贝尔化学奖得主、华东理工大学客座教授费林加和田禾共同倡议,在上海市、徐汇区政府及张江科技园区支持下,依托华东理工大学,建立了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心。在这个平台上,田禾正带领一批年轻人向科研前沿发起冲锋。

值得一提的是,20多年来,田禾已经培养出一大批优秀的学术人才,包括60多位博士毕业生、50多位硕士毕业生。其中,1999年博士毕业的朱为宏已经是华东理工大学科学技术发展研究院常务副院长,其领衔的项目“有机功能染料稳定性强化原理与应用基础研究”荣获2019年度国家自然科学奖二等奖,并排名第一。2006年博士毕业的曲大辉也已经是华东理工大学化学与分子工程学院院长,在光驱动轮烷型分子机器等研究领域取得了重要成果。

“我很谨慎,成果转化需要经得住考验”

虽然分子机器相关基础研究进展迅猛,但在相当长时间内,如何使用分子机器,仍是科学家们攻关的难题。

利用分子探针在疾病精准检测上的优势,田禾团队正在研发多款分子荧光探针试剂盒。

2016年,用VIE分子设计理念指导构建的生物分子探针,田禾团队实现了对阿尔茨海默症生物标志物β淀粉聚集体的比率型检测。

田禾团队还研发出可检测多种疾病的分子探针试剂盒。代谢物小分子α-酮戊二酸是体内代谢途径中最重要的氮素运载体之一,其浓度变化可能与众多疾病密切相关,如非酒精性脂肪肝和急性髓细胞白血病等。应用田禾团队开发的分子探针试剂盒,无需对血清进行任何预处理可直接检测人血清中α-酮戊二酸的浓度变化,有可能实现快速、微量血定量、智慧型精准即时检测。

此外,针对肿瘤,田禾团队还合成出具有肿瘤细胞靶向识别的红外/近红外光荧光生物探针,不但可以实现活体肿瘤标志物的特异性检测,还能通过精确的靶向能力和可编程的药物释放,显著提高相关的治疗效率。

目前,相关分子探针正在和医院开展临床研究。尽管已经获得了若干发明专利,田禾并不心急。“我很谨慎,成果转化需要经得住考验。”他说,一项成果推出至少需要10年以上的研究时间,研发的试剂盒要让普通人接受简单培训就可以操作使用,而不会造成假阴性和假阳性。这对检测产品的灵敏度和特异性都要求非常高。

从基础研究出发,到应用研究探索,田禾的分子机器“梦工厂”已经启航。

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