让稀土材料在应急检测中发光

□本报记者王潇雨通讯员周蕾□

在门捷列夫元素周期表里，有一片由17种金属元素组成的区域，它们在自然界中含量稀少，又常以氧化物的“土”颗粒状态存在，因而被称为稀土。稀土元素独特的原子结构使其可以合成具有独一无二光学特性的上转发光材料（UCP）。在我国科研工作者的努力下，这种材料被广泛应用于传染病防控、临床急诊检验、食品安全筛查、生物反恐、毒品筛检等多个生物检测领域，为众多应急行业解了燃眉之急。《基于稀土纳米上转发光技术的即时检测系统创建及多领域应用》项目，近日获2015年国家技术发明奖二等奖。
把论文变成产品困扰科学家
稀土纳米上转发光材料的制作方法与我国的陶瓷制作工艺类似，即把几种稀土元素混合起来，在1000多摄氏度高温炉子里烧制而成。项目负责人之一、军事医学科学院微生物流行病研究所杨瑞馥教授告诉记者：“自然界中普遍存在的发光现象都是‘下转发光’，由高能量光激发，发射光按能量递减规律向外发射。而上转发光材料刚好相反，由于其内部发生能量跃迁，所以可使低能量的激发光上转为高能量的发射光。这种人造的发光现象在自然界中是不存在的。”
稀土纳米上转发光材料在生物检测中可以表现出更高的敏感性和特异性。杨瑞馥介绍，常用的免疫检测试剂（如绿色荧光蛋白等）都是下转发光，它们的本底荧光很高，需要借助专门仪器设备才能看到。而上转发光材料没有本底荧光，不用借助任何仪器就可以看得非常清楚，因此检测的敏感性要比普通的下转荧光高很多。
其实，科研工作者已经看到了稀土纳米上转发光材料的神奇之处，在国际上发表过相关科研论文的机构约有10家。但如何把论文变成产品，真正发挥这种材料的优势，一直是困扰各国科研工作者的难题。
机会留给有心人
我国很多现场快速检测试剂曾一度依赖进口。“这些试剂价格昂贵，且无法很好地实现多种有害物质同时定量检测。加速研发拥有我国自主知识产权的监测试剂，一直是我们惦记的事。”杨瑞馥回忆项目起源仍难掩激动的心情。那是2000年的一天，军事医学科学院接到上海一家公司的来信，信上描述了稀土纳米上转发光材料，并称他们正用这种材料生产消防和水下救援中指引道路用的发光绳，以及圣诞装饰用的发光小礼品。他们认为这个材料一定还有更有价值的用途，正在寻求技术支持。
看到这封信，杨瑞馥立即与对方联系。当时，对方经理正好在北京出差，两人一拍即合，当场签下合作协议。“我们约定，他们做材料，我们做生物学领域研发。”于是，军事医学科学院微生物流行病研究所和上海科炎光电技术有限公司开展合作，并在2002年成功建立以稀土纳米上转发光材料作为生物示踪物的免疫层析技术平台（UPT-LF）。
“从基础研发到批量生产，最后形成销售体系，我们是国际上唯一完成全部环节的团队。这是因为团队吸纳了纳米材料、生物技术、光机电、计算机软件、流体动力学等多学科的人才，大家协同创新。”杨瑞馥历数了研发团队的壮大过程：2003年，中国科学院上海光学精密机械研究所加入，并成功研制定量分析免疫层析技术结果的UPT生物传感器。2005年，完善形成UPT生物应急检测系统，申请专利51项，建立涵盖纳米材料、生物检测、智能传感全技术环节在内的专利保护群。2007年，北京热景生物技术有限公司加盟，推动产业化进程。2011年，研究团队获得第一个医疗器械注册证书，成为国内第一个具有自主知识产权的定量即时检验技术平台。
合理破解层析动力学之谜
面对心脏病突发的急诊患者，3分钟和15分钟出结果，救治效果会大不一样。杨瑞馥告诉记者，团队的另一个重大突破就是摸清了免疫层析检测的动力学之谜，大大缩短了检测时间，并提高了试剂研发速度。
如果得知液体在试纸条上如何流动，就可以根据影响因素和过程有针对性地设计试纸，而这个规律一直鲜为人知。2012年，研究团队获得中国科学院力学所专家鼎力相助，找到了免疫层析的动力学规律。“我们知道了液体流动是如何受颗粒浓度、蛋白浓度、添加剂等因素的影响，就可以有选择地调整条件，这使得试剂研发速度从过去的2个月～3个月提高到目前的2周～3周，层析检测时间由原来的10分钟～15分钟缩短到3分钟～5分钟。杨瑞馥表示，现有免疫层析的弱点是液体和固体间的反应，单条检测只能检测一个靶标。“我们希望做多靶标的检测，并研究液相的反应，试剂的稳定性、速度效率、敏感性都会更快。”
打破国际垄断，保障生物安全
我国稀土矿石约占世界总储量的43%，占世界稀土市场98%的份额，但长期以来始终局限于低端原料出口。研发团队使稀土资源由低端矿石出口产业升级为具有国际竞争力的高新生物医药技术产业，开拓了稀土资源高附加值利用的新领域。
“我们的最大社会效益就是打破了国外产品的垄断，过去国外相关仪器在中国卖16万元，一张试纸条1000元，现在我们的仪器卖几万元，试纸几十元。”杨瑞馥说。稀土纳米上转发光技术的核心产品已在700余家医疗机构、100余个疾控系统广泛应用，并为重大活动提供了生物安全保障。研究团队的全部成果在北京落地转化，建立了日产稀土纳米上转发光材料1000克、试剂2万份、生物传感器10台的3条生产线，获医疗器械注册证书15项。

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