造出世界上最小光谱仪

　　浙江在线12月28日讯（记者 祝梅）世界是什么颜色的？在浙江大学信息与电子工程学院研究员杨宗银看来，肉眼所见的世界并非真实的世界，而是红绿蓝三色在人们脑海中的投影。

　　直到人类发明了光谱仪，光的奥秘才被揭示。而杨宗银则通过自己的研究，将体积庞大的光谱仪变成比头发丝直径还要小千倍的器件，解决了传统光谱仪小尺寸和高性能无法兼具的难题，为光谱仪微型化领域开辟先河。

　　12月27日，2023达摩院青橙奖名单公布，杨宗银成为获奖的4位浙江青年学者之一。青橙奖评选面向35岁及以下中国青年学者，旨在发掘有潜力取得突破性成就、有望成为中国科研中坚力量的新星，支持他们勇攀科学高峰。

　　1988年出生的杨宗银正好35岁，“算是赶上了末班车”，他开玩笑说。

　　“被苹果砸中的那一刻”

　　把一个小小的方形器件连接到手机上，对着镜头展现不同的颜色，很快就能看到波峰波谷的变化，这是杨宗银科研工作的一部分：捕捉光的讯息。

　　“人们眼睛可以看到的颜色，背后是成千上万的波段，它们携带着不同的物质成分，有不一样的密码。有时候，眼睛看起来几无差别的两种红，其光谱却完全不同。”杨宗银打了个比方：光谱就像是物质的“指纹”，通过光谱感知，人们得以更接近事物的本质。

　　1666年，英国物理学家艾萨克·牛顿用三棱镜首次“看清了”一束太阳光，折射到墙上的复色光分解为单色光并形成光谱，这一科学史上有名的“人造彩虹”，后来也推动了光谱仪这一工具的诞生。

　　在科研和工业生产中，光谱仪应用广泛。通过测试不同的波长，它能呈现光谱谱段和频率的变化，可以用于食品药品快速检测、查看农作物生长状况，也可以作为工业流水线上的一环，监测制药化学反应的进程，或者判断一块太阳能光伏板上是否存在瑕疵。

　　常规形态中，高精度的光谱仪通常是个不太便携的“大家伙”、要占据小半张办公桌，而杨宗银研究的光谱仪微型化方向，则要在保持高性能的前提下，让光谱仪更小巧便携，甚至浓缩为模块产品。

　　在浙江大学读研期间，这颗种子在杨宗银心里萌芽，他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。

　　怀揣梦想，2014年，杨宗银前往剑桥大学攻读博士学位，他常常最后一个离开剑桥电子工程系实验楼。“煎熬和希望交织。每天都是信心满满地过去，到晚上失落地回到宿舍，反省到底哪里还可能存在问题、还可以怎么改进。”回想起那段岁月，他说，煎熬来自每一次的失败，但一想到如果能突破成功，就能开拓出一个全新的领域，自己又会再次振奋起来。

　　一次晨跑时，杨宗银无意间和一位数学高手谈及科研中遇到的瓶颈。这位朋友建议：是不是可以从算法优化上着手？

　　“以前更多是跟相关领域的朋友探讨，在硬件改良上几乎是没有进步空间了，却没想过，跨界交流能有这样意外的收获。”这让杨宗银找到了“卡点”：探测器自身运行时存在的噪声，对光谱重构造成了很大干扰，在此之前，这个难题已经困扰他三年。

　　正如牛顿被苹果砸中，2018年8月，属于杨宗银的那一刻终于来了：一个周六的晚上，杨宗银在实验室测量到了信号。他有点不敢相信自己的眼睛，验证了多次，结果都与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。”

　　在曙光出现前，杨宗银已经前前后后研究了8年，失败了150多次。用半导体纳米材料替代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，杨宗银提出了一种全新的结构，最终，由他领衔的剑桥大学科研团队，联合中国、英国、芬兰等国家科研机构，终于取得成功。

　　2019年9月，美国权威学术期刊《Science》(《科学》)刊发由杨宗银博士为第一作者的《单根纳米线光谱仪》论文，宣告世界最小光谱仪诞生。

　　当年5月投稿，7月就被接收，过程中没有任何修改意见，杨宗银和团队的成果获得了《科学》杂志编辑的高度认可。编辑评价称“纳米线光谱仪是一台集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的惊艳之作。”

　　循着一束光前行

　　浙江大学微纳加工中心，几乎位于浙大玉泉校区西南角的尽头。“这个位置有点难找，你们找过来是不是不太容易？”杨宗银问。

　　2020年回到母校浙大后，杨宗银挑起了光谱仪微型化这一研发方向。他的办公室不大，但“五脏俱全”。一进门的工作台可以随时对器件进行简单的检测修理，旁边是开组会的桌子和巨大的电视投屏，往里走则是办公桌、健身器材和一张供临时休息的小床。

　　窗外玉泉校区的风景，杨宗银再熟悉不过。去剑桥读博前，杨宗银已手握三篇影响因子颇高的光电领域论文，这让后来面试他的导师印象深刻。但因为英语不过关，毕业后近两年，他“流窜”在学弟们的宿舍打地铺，考了十几次雅思、托福，其间还不忘继续做实验、发论文，连续三年，他的导师都愿意给这个偏科学生抛出“绣球”。

　　“学会与失败共处并不那么容易。我2014年到剑桥，到2017年、2018年，来自导师的压力、学术的压力、毕业的压力都挺大，中途有两次想放弃去企业上班了。”杨宗银说，有小半年时间，自己已转向研究导师从事的科研领域，可一旦稍有空闲，内心就被不甘心填满。

　　彼时，光谱仪微型化还是个偏冷门的研究领域，全球只有一两个组在从事相关研究。但杨宗银读博时梳理了一篇综述文章，将此前几百种技术路线归纳为四种，整理了整个领域体系。这张“产业地图”，也帮助更多后来者加入到这一研究领域。

　　在浙大，现在有10多个学生跟着杨宗银从事相关领域的理论和应用研究。“对着天上很暗的星星，我们也能测出光谱，而且是秒级的。”他说，以前的仪器，是从100份白光中取1%进行探测，而通过新的物理效应，团队正在攻克这一性能瓶颈，反其道行之：探测100份白光中的99份，提高能量利用率。

　　杨宗银自己最关心的应用研究，是无创血糖检测。“科学研究的应用落地要产生价值，必须找到‘刚需’的场景。”他说，由于亲友中有糖尿病患者，自己看到了这一人群在生活中的诸多不便。“扎手是通过葡萄糖的化学反应来检测血糖含量，但它只能测定那一刻的血糖值。我希望通过光谱仪应用捕捉人体内的葡萄糖光学信号，像佩戴一块手表一样，实现无感、持续的健康监测。”

　　目前，杨宗银团队的样机已有雏形，早晚间检测的正负误差值在10%左右。他说，葡萄糖释放的光学信号微弱，团队需要通过机器学习、建模不断优化对信号的捕捉能力，还需要克服行走中的技术监测的稳定性。

　　出生在温州龙港，杨宗银从小就对电子机械感兴趣。小时候看漫画，哆啦A梦会从百宝袋中掏出各种神奇发明，创造更多好玩的发明，也就此成为他的人生追求。回想起来，他觉得自己可能也受到了父亲的影响，“父亲不是专业出身，但他很喜欢修东西，家里的电器坏了，一般都是父亲拆开来修。”

　　再长大一点，杨宗银的“破坏性”就越发明显了。为了组装自己设计的小玩意儿，初中时，家里的收音机、电视机都被他拆开，这些家电在当年都算是家里的“大件”，为此，他吃了不少教训，但也造出了天一亮就会响的闹钟和可以在河里开的小船。

　　“如果对自己所从事的领域有深入理解，就会知道意义有多大。”杨宗银说，科学家是一个很好的职业，有兴趣也有能力去做一些探索未来的工作，“理论型的科学家为人类开拓边界，应用型科学家则通过制造工具造福社会。”

　　“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。”他说。