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专注科研创新,取得累累硕果
发表时间 2016-06-22 07:36 来源 本站原创

  记中国科学院合肥物质科学研究院黄青研究员

  创新在科学技术研究中具有举足轻重的地位,它是推动民族进步和社会发展的不竭动力。一个民族或国家要想走在时代前列,就必须不断开展各种创新活动,而科技创新则是社会生产力发展的源泉。近年来,中国科学院合肥物质科学研究院黄青研究员带领团队在其研究领域展开了一系列创新科研工作,取得了显著的研究成果和良好的社会效益。

  黄青,江苏人,研究员、教授、博士生导师,现任中科院合肥物质科学研究院技术生物所辐照技术和物理生物研究室主任、中国科学院离子束生物工程学重点实验室副主任。主要研究为物理、化学和生物交叉领域,内容涉及生物物理、物理化学、光谱应用、等离子体物理和技术、环境和材料科学、生物检测等多个方面。黄青的研究兴趣涉猎广泛,不仅因为他天生对自然有强烈的好奇心,也得益于他的教育和工作背景。他曾以优异成绩考取省重点中学,高中毕业后考入中国科学技术大学,完成本科学业又继续就读于中国科学院合肥分院(硕博连读)。1996年,他通过由Gottfried Landwehr(诺贝尔奖获得者Klaus von Klitzing的导师)领衔主考官的考试,考取了德国大众奖学金,远赴德国留学,在有优秀数理传统的著名的哥廷根大学(这所大学曾在人类教育和科学发展史创造了“辉煌的哥廷根时代”)攻读实验物理专业,2000年获理学博士学位。之后,他又前往美国,在生物物理及生物光谱领域连续进行研究工作8年。严格系统的训练及丰富的经历造就了他宽厚扎实的知识体系和实验技能。2008年,黄青响应祖国的号召,作为海外杰出人才被引进回国,并入选中国科学院的“百人计划”,成为中科院一名学术带头人。回国后,黄青又开辟了新的研究方向,主持和承担多项科研项目,包括中科院“百人计划”项目、国家自然科学基金项目、中科院知识创新工程重要方向项目、科技部973项目、中科院战略先导性科技专项、中科院交叉创新团队项目等,带领他的团队在发展生物光谱理论、技术和应用、辐射物理化学和生物物理、等离子体生物技术等方面都取得了一系列显著成果。迄今已在国际重要学术刊物发表被SCI收录论文100多篇,引用超过1600次;合作申请发明专利20多项,其中多项已经获得授权。他的工作成果得到了国内外同行的广泛关注和高度评价。

  生物光谱理论、技术和应用

  生物光谱学是综合生物学和光谱学的理论、技术和方法而发展起来的交叉学科,主要目的是通过利用各种光谱(包括荧光、红外、拉曼光谱等)技术方法,为生物学研究中的各种对象提供快速、无损、痕量、实时动态检测,同时利用光谱数据获得的综合信息,开展对生物过程的定性、定量分析,为相关生物学研究及应用提供技术、方法和参考依据。

  早在国内读研究生期间,黄青就尤其喜爱光学-光谱方面的研究,只是那时候他的主要兴趣还在原子和分子光谱的物理理论和实验前沿技术。德国留学期间,黄青的博士论文课题是利用拉曼光谱研究半导体材料特性。与此同时,他对生命现象也一直非常感兴趣。随着对光谱技术和生物知识的了解深入,他敏锐地意识到,21世纪将是生命科学的世纪,光谱技术可以在这个领域大有作为。因此,博士毕业后,他很快顺利联系到美国的施韦策教授(Prof. Schweitzer),从而在他的生物光谱研究组开始博士后研究。这期间,黄青创新性地发展了偏振共振拉曼光谱技术以用于血红素蛋白酶的功能-形变关系研究,还通过红外和拉曼光谱联用技术以及特殊的算法推算多肽二面角的大小。这些研究结果发表在《J. Am. Chem. Soc.》、《J. Phys. Chem.》、《Biophysical Journal》等国际权威期刊上。其中,拉曼光谱工作被国际拉曼光谱权威Kiefer教授(国际《拉曼光谱杂志》主编)评述并予以肯定;关于蛋白质PPII结构的光谱分析工作,被生物物理-蛋白质领域权威美国科学院院士Baldwin教授正面评论和引用。

  回国后,黄青开始组建自己的生物光谱研究团队,继续开拓这方面的研究工作。首先,在生物分子振动光谱理论方面,他的研究团队分析和比较了多种理论模型的计算,发现SMD溶剂模型和色散修正方法能更准确地计算氨基酸等分子的结构参数和光谱特性,这为他们计算生物分子的振动光谱提出了合适的理论模型和理论依据。其次,在发展新的生物光谱技术方面,他们主要致力于高灵敏光谱检测技术,尤其在表面增强拉曼光谱(SERS)技术上获得一系列突破和进展。比如:制备了金包裹二氧化硅金纳米颗粒,并以适配体修饰,可以对有机分子进行特异性识别和检测;通过一种简便优化的方法制备完成了以环糊精修饰的核壳结构的金属纳米颗粒,并将其用于多氯联苯(一种环境持续性有机污染物)检测,显著提高检测极限。研究结果已经发表在《Analyst》、《Phys. Chem. Chem. Phys.》和《Chemical Communications》等国际著名期刊上。另外,黄青团队与固体物理所的孟国文课题组合作,在以纳米阵列为SERS基底的高灵敏检测技术中取得一系列突破和进展,连续在《Advanced Materials》和《Advanced Functional Materials》等著名国际期刊上发表高水平研究论文,得到了同行大量正面引用和广泛认可。最近,黄青课题组又制备了适配体修饰的银纳米柱阵列作为SERS基底,具有优异的SERS活性和信号可重复性,实现了对多氯联苯分子免标记特异性定量检测和分析,其检测灵敏度比一般的SERS基底提高了约3个数量级,也是目前获得测量多氯联苯分子灵敏度最高的SERS一种检测方法,结果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

 

  图1:表面增强拉曼光谱(SERS)应用于生物医药与环境研究。上图:制备适配体修饰的金包二氧化硅纳米颗粒作为SERS基底,用于药物柯南因的免标记痕量检测,文章发表在《Analytical Methods》(2013, 5:3927–3932)。左下图:制备以环糊精修饰的核壳结构的金属纳米颗粒作为SERS基底测量有机分子(a)为检测模式图 (b)材料微观表征图(c)为三种多氯联苯检测SERS检测图,文章发表在《Phys.Chem.Chem.Phys.》(2015,17:21149-21157)。右下图:基于SERS技术免标记检测有机分子(多氯联苯),a)原理示意图,b)、c)显示银纳米柱阵列的扫描电镜照片,d)、e)SERS光谱图及其检测分析曲线,文章发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(2016, 8:5723-5728)

  此外,黄青带领团队还积极推广生物光谱技术在农业、食品、医药和健康等其他领域和交叉学科中应用。例如,他们以荧光、红外(包括中红外和近红外)、拉曼光谱为实验工具,在探索药物作用下生物效应及光谱特征方面取得重要进展。他们将红外光谱与荧光蛋白标记的方法相结合,建立了红外光谱定量细胞乙酰化水平的方法,研究了细胞在药物(TSA:曲古菌素A)作用下组蛋白乙酰化(细胞表观遗传学现象)随剂量变化的规律,还研究了TSA作用下伴随组蛋白乙酰化而发生的DNA构象的变化,发现在组蛋白乙酰化的同时,细胞核DNA确实会发生B-Z构象转化。这些研究不仅增加关于细胞表观遗传现象的认识,也为表观遗传学研究提供了有效的观察和分析方法,研究结果先后两次发表在2015和2016年度的《Analytical Chemistry》期刊上,并被中科院网站作为亮点报道。

  图2:应用FTIR观测到药物(TSA)作用下HeLa细胞乙酰化水平(上图),以及在细胞核中DNA伴随组蛋白乙酰化发生B-Z形态转变(下图)。文章发表在《Analytical Chemistry》上(2015,2015, 87: 2511−2517和2016, 88:4179–4182)。

  黄青团队还把光谱技术应用于纳米生物毒理方面的研究,并且获得新的重要发现,研究结果发表在纳米毒理顶级期刊《Nanotoxicology》。最近,黄青带领团队又把生物光谱技术应用于微生物(雨生红球藻)诱变育种及快速筛选的研究,建立了对高产雨生红球藻的快速筛选方法,研究结果发表在《Applied Spectroscopy》上。他们还在储藏食品的光谱分析、微生物近红外光谱技术评价方面取得突破和进展,其研究结果分别发表在《Journal of Stored Products Research》、《Letters of Applied Microbiology》等重要国际专业杂志上。

  图3:利用光谱技术研究纳米氧化锌老化过程并定量分析其对藻类的毒性影响。文章发表在《Nanotoxicology》(2016)。

  粒子辐射生物学效应

  和作用机理基础研究

  载能粒子辐射技术在癌症治疗、诱变育种等领域得到了越来越广泛的应用。载能粒子可引起丰富的生物学效应,由于其多样性和复杂性,需要从生物分子、细胞以及生物个体等多层次对其作用机理进行研究。回国后,黄青根据以往在光谱技术方面的优势,搭建离子束-生物光谱实验平台,自行研制成功了一台小型离子束生物辐照装置,用于离子束对生物分子的作用过程的研究。特别在载能粒子对生物分子间接作用的研究方面,黄青课题组获得了可喜成绩,其中有关多肽和蛋白质损伤机理的研究成果连续两次发表在等离子体技术权威期刊《Plasma Processes & Polymers》上,并被选为杂志封面文章,还被《中国科学报》(5875期)以头版新闻报道。

  图4:相关研究成果被选入学术期刊封面。

  为了更好地研究辐射对生物的作用机理,特别是对其辐射生物学效应的早期过程进行有效观察,黄青研究员根据他在生物光谱方面多年的研究基础和经验,把一些生物光谱新技术,如:显微光谱成像技术、表面增强拉曼光谱技术、三维荧光光谱定量分析方法等引入辐射生物学研究,特别开辟了辐射生物光谱研究新方向。例如,他带领学生们把显微光谱成像技术和方法应用于离子束与生物作用过程的研究,由此获得辐射作用下有关生物及生物分子的定性、定量、微观动力学图像。以工业应用广泛的米根霉为研究对象,他们首次运用同步辐射红外显微成像技术,对载能粒子作用于微生物个体进行辐射生物效应和机理等问题开展研究,发现辐射引起了细胞壁和细胞膜的降解、脂质的过氧化、DNA的损伤以及蛋白质的变性等早期效应和过程,并结合应用生物化学方法,验证了载能粒子辐射能提高细胞内活性氧水平进而损伤生物体的机理。

  在研究细胞或生物个体的辐射效应中,黄青注意到两个亟待解决的问题:一是在生物体内,对少量生物分子实现高灵敏光谱检测;二是在生物分子化学反应过程中,对含混合物的复杂体系进行光谱定性和定量分析。为此,黄青把SERS技术引入到辐射生物学分析领域,利用拉曼光谱无损伤检测和指纹特性的优点,对含有多种成分的混合体系进行快速鉴别。例如:他们利用SERS技术对一种生物体内普遍存在的生物分子谷胱甘肽在电离辐射条件下的氧化还原反应,进行定量分析和研究,发现可以相关拉曼谱带的强度比值作为由GSH向GSSG转变的度量指标。这项工作不仅解决了SERS技术对微量生物分子反应体系所涉及混合物的定量分析,而且提出一种新的考量生物辐射损伤的检测方法,为在活体细胞中实现对生物应激辐射氧化胁迫反应或辐射损伤进行快速、无损、定量评估打下了基础。

  图5:把SERS检测技术应用于辐射物理化学及辐射生物学研究。举例:利用纳米银探测谷胱甘肽在辐射条件下氧化过程。文章发表在《RSC Advance》(2015, 5, 57847–57852)。

  以上这些研究结果已经发表在《Journal of Hazardous Materials》、《RSC Advance》、《Journal of Molecular Structure》等重要专业学术期刊上,引起同行的广泛兴趣和关注。另外,黄青还被《生物物理学报》杂志邀请介绍有关辐射-生物光谱学的方法和应用。这些工作研究不仅对离子辐射与生物体作用机理的认识、解释离子束诱变机理有重要意义,而且对离子束生物技术应用、实现突变体高通量筛选方法研发上也有重要作用。

  正是因为在载能粒子与生物作用机理方面的显著成绩,黄青研究员去年(2015年)获得在19届SMMIB国际离子束会议组委会邀请的殊荣,在泰国做了大会特邀报告。现在,他还担任安徽省核学会的常务理事、安徽省核学会核农学与同位素应用专业委员会主任,正在继续积极推动载能粒子这项核技术及其应用工作。

  图6:黄青在泰国举行的第19届国际离子束会议(SMMIB19)上做大会邀请报告

  等离子体技术在环境

  和生物医学中应用

  在从事基础研究同时,黄青还十分关注有关技术研发和实际应用上的创新。比如,在进行载能粒子生物基础研究同时,由于涉及使用等离子体,黄青团队致力发展了有关低温等离子体生物与环境技术及在实际应用,特别对等离子体处理蓝藻污水开展了卓有成效的研究。

  合肥周边水体时常受到蓝藻暴发的困扰,治理蓝藻是个长期、复杂的工程。蓝藻水华暴发严重影响水体景观和水体功能,蓝藻细胞死亡后释放的微囊藻毒素直接威胁饮用水安全和人类健康。因此,探索杀灭蓝藻细胞和降解蓝藻毒素的新方法新技术具有重要的现实意义。黄青带领的团队利用等离子体技术处理水体有害微生物,探索低温等离子体处理蓝藻污水,可高效杀灭蓝藻细胞并降解毒素。

  黄青研究员介绍说,等离子体放电是得到低能带电粒子的一种重要方式,其放电过程产生带正电的离子和负电的电子,能量可达上千电子伏特。它们与水分子碰撞可以产生活性氧和自由基等,并且伴有紫外线,能氧化降解水中的多种有毒有害物质,是一种高级氧化水处理技术。现有水处理研究一般只考虑杀灭蓝藻细胞或者去除蓝藻毒素,而他的研究组在应用等离子体灭藻方法上更胜一筹,在杀灭蓝藻细胞的同时又能把藻细胞释放的毒素降解去除。同时,研究还阐明了其中的物理化学过程,这就为等离子体水处理新技术及方法提供了实验基础和理论依据。发展等离子体处理环境污水技术,不仅可以处理蓝藻、藻毒素,而且可以处理水中有毒重金属。有关文章发表在环境领域顶级期刊如《Environment Science Technology》和《Water Research》、以及重要的综合类国际期刊如《Scientific Reports》(自然新刊)等杂志上,并被许多媒体作为重要新闻报道。其中,关于等离子体灭藻研究工作被《中国科学报》(5972期)以头版新闻进行报道。

  图7:低温等离子体灭藻机理示意图。文章发表在《Scientific Reports》(2015,5:13683)

  近年来,低温等离子体技术由于其在生物医学领域显示出的巨大应用前景及其特有的优势,而受到人们的广泛关注。已有的研究报道显示,低温等离子体具有促进伤口愈合、促凝血、灭菌、灭活 癌细胞等诸多生物医学效应。例如,黄青团队与Fridman教授合作,采用一种新的荧光方法研究了等离子体灭菌效果,结果发表在《Plasma Medicine》 上。最近,他们又在等离子体凝血机制获得重要进展。黄青研究员介绍说,早在2006年,等离子体医学国际权威Alexander Fridman就首次报道了低温等离子体具有显著促凝血作用,指并出低温等离子体用于凝血实际处理的好处。但是,对于低温等离子体促凝血的具体原因,过去10年多还没有研究清楚。黄青课题组对此问题进行分析并展开了实验研究。他们发现,低温等离子体处理血液样品时,血液中血红素分子可显著促进促凝血效果;而在此促进作用下,血液表面蛋白聚合形成薄膜,这与以前研究报道中低温等离子体处理下血液表面形成的凝血块相似;分析凝血块成分,发现它主要是由聚集的纤维蛋白组成。进一步,通过设计辅助实验,以血液中相关蛋白作为研究对象,研究组发现纤维蛋白原(fibrinogen,一种重要的凝血蛋白)可与血红素分子配位结合形成蛋白-血红素复合物。这样,在低温等离子体处理生成的过氧化氢作用下,该复合物中纤维蛋白原分子可发生双酪氨酸形式的交联聚合,进而在溶液表面形成凝血薄膜。这项工作揭示了以往被忽视的低温等离子体中血红素促进促凝血的机制,也为该技术的实际临床应用提供了有用信息。该研究结果最近已被《Scientific Reports》接收发表。

  图8:低温等离子体促凝血机理研究(图中显示为血红素浓度和低温等离子体处理时间)。文章发表在《Scientific Reports》(2016, 6:26982)

  总之,黄青研究员这些年带领他的研究团队通过不断创新,不懈努力,持续取得新进展。在专心科研之余,黄青在教书育人方面也是兢兢业业、诲人不倦,在教学科研的过程中,他不仅不遗余力地将从国外学到的先进科研理念传授给学生,而且在学术上严格要求,认真扎实做好每项研究工作。正是因为如此,黄青带领团队不断取得一个个创新科研成果,在回报社会的同时,也赢得了不菲的声誉。在这个“大众创新、万众创业”的时代,黄青研究员及其团队心无旁骛,脚踏实地,开拓创新,取得了一系列丰硕的科研成果,产生了良好的社会效益。相信随着研究的逐渐深入,他和他的团队一定会给社会大众带来越来越多的惊喜。

  撰稿人:无名泽

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