王艷敏

任煜軒

人類對于光的研究由來已久。最初，人們只是試圖回答“人為什么能看見周圍的物體”等類似問題，卻在生生不息的探索之下逐漸叩開了光學(xué)成像、探測等技術(shù)的大門。

隨著應(yīng)用場景的不斷拓展，光學(xué)研究與其他學(xué)科的結(jié)合愈發(fā)緊密。生物光子學(xué)便是由此衍生出的一門“集大成”學(xué)科，不僅涉及生物學(xué)、光子學(xué)，還包含物理學(xué)、工程技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，“因此，在投身其中之初，我就做好了終身學(xué)習(xí)、不斷進(jìn)取的準(zhǔn)備”，復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院青年副研究員任煜軒回顧科研來時(shí)路，不勝感慨。聚焦于光學(xué)探測領(lǐng)域研究的他對于自己的主研方向不僅有“覺悟”，更有“擔(dān)當(dāng)”。他表示，盡管多種成像技術(shù)手段的性能在近年來得到了飛速提升，但光學(xué)探測仍是生物學(xué)研究中一種非常重要的手段。1925年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的超顯微鏡與由此演化而來的光片熒光顯微鏡、2014年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的超高分辨率顯微鏡及2018年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的光鑷技術(shù)等均可佐證這一點(diǎn)。未來，這一探測手段憑借其非接觸、無損傷等優(yōu)勢，在生物活體成像和操控中還將持續(xù)占據(jù)一席不可忽視的地位。

逐“光”而行

俗話說“興趣是最好的老師”，但一名優(yōu)秀的教師也有可能成為學(xué)生“興趣的源泉”，對于中學(xué)時(shí)代的任煜軒而言，正是如此：他曾在物理課堂上，被老師有條不紊、邏輯清晰的解題思路深深吸引，從此沉浸在對物理知識(shí)的求索之中。得益于這一時(shí)期的啟蒙，他于2002年考入西北工業(yè)大學(xué)之際，毅然選擇了物理學(xué)科相關(guān)的光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。草堂煙霧、太白積雪，伴著高亢嘹亮的秦腔，任煜軒的逐“光”之夢，悄然萌發(fā)于這座古城之中。

“基礎(chǔ)扎實(shí)、工作踏實(shí)、作風(fēng)樸實(shí)、開拓創(chuàng)新”，這是刻印在每位西北工業(yè)大學(xué)學(xué)子心中揮之不去的學(xué)術(shù)精神。在濃厚學(xué)術(shù)氛圍的熏陶之下，任煜軒埋首學(xué)海，收獲了優(yōu)異的成績。憑借出色的表現(xiàn)，他在畢業(yè)之際收獲了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)拋來的橄欖枝，并在物理實(shí)驗(yàn)中心任教后轉(zhuǎn)而于光學(xué)與光學(xué)工程系攻讀光學(xué)碩士、博士學(xué)位。碩博連讀的5年是任煜軒厚積薄發(fā)的5年，他在學(xué)術(shù)氣息濃厚、儀器設(shè)施完備的環(huán)境下學(xué)習(xí)光鑷的基本原理，著手搭建基于光場調(diào)控的全息光鑷，在光場調(diào)控方面銖積寸累，日就月將。而正是這些技術(shù)積累為他后來克服光操控和顯微成像系統(tǒng)中的一些技術(shù)難題提供了有益的經(jīng)驗(yàn)，如增大顯微鏡縱向視場范圍，提高雙光子顯微鏡橫向分辨率等。

隨著科研愈發(fā)深入，任煜軒的求知欲望也愈發(fā)高漲，他開始深思我國光鑷技術(shù)發(fā)展的局限與瓶頸，并且萌生了“走出國門去、探索最前沿”的心愿。一貫優(yōu)異的表現(xiàn)為他帶來了這樣的機(jī)會(huì)——2010年，他受到國家留學(xué)基金委的資助前往美國耶魯大學(xué)接受公派聯(lián)合培養(yǎng)。雖然項(xiàng)目歷時(shí)僅有1年，但無論是在理論知識(shí)積累還是實(shí)踐能力的提高上，任煜軒均受益匪淺?！皣鴥?nèi)光鑷研究起步時(shí)間其實(shí)并不算晚，且近10年來，在光學(xué)操控方面也取得了長足進(jìn)展，但在針對單分子研究的光鑷儀器開發(fā)方面仍與國際上具有較大差距。國際上做單分子研究的實(shí)驗(yàn)室多采用自行研制的光鑷設(shè)備，而國內(nèi)則很少有課題組研制專門用來測量單分子的光鑷設(shè)備，大多都是從國外購入?！彼┦慨厴I(yè)之時(shí)，正值中國科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所籌建全新的國家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施。值得一提的是，蛋白質(zhì)設(shè)施在設(shè)計(jì)之初就非常重視單分子相關(guān)儀器的研制，并計(jì)劃建立分子影像系統(tǒng)，于是任煜軒毅然加入其中，參與這一系統(tǒng)高精度激光光鑷的研制工作。心懷青衿之志，數(shù)年逐“光”而行，然而，剛剛走出“象牙塔”，彼時(shí)任煜軒的科研之路仍是道阻且長。

揭示光學(xué)奧秘

輾轉(zhuǎn)多年，從舊金山州立大學(xué)、香港大學(xué)到如今的復(fù)旦大學(xué)，均留下了任煜軒追夢的足跡。如今的他已成長為一名獨(dú)當(dāng)一面的研究人員，先后在《光:科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）、《ACS光子學(xué)》（ACS Photonics）、《納米光子學(xué)》（Nanophotonics)、《高級光子學(xué)》（Advanced Photonics）、《光學(xué)》（Optica）等多個(gè)國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表《科學(xué)引文索引》（SCI）論文50余篇，而隱含在這些碩果背后的，是多年的堅(jiān)守與探索。

2019年7月，復(fù)旦大學(xué)開始籌建腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院，旨在圍繞國家的重大需求和腦科學(xué)前沿，融合醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、工學(xué)等學(xué)科，發(fā)展建立一個(gè)交叉研究和相互融合的平臺(tái)，從而更好地發(fā)展、研究腦科學(xué)交叉技術(shù)并實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。腦科學(xué)不僅是當(dāng)下極具挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科，也是對人類健康極為重要的應(yīng)用學(xué)科。因此，這一研究方向憑借切實(shí)為民眾謀求福祉的特點(diǎn)與依托匯集國內(nèi)數(shù)名頂級專家的優(yōu)秀平臺(tái)打動(dòng)了任煜軒，他選擇于2021年加入其列。

此前，任煜軒為實(shí)現(xiàn)三維成像，并突破樣品掃描對成像速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的限制潛心研究多年。雖然國際上早有報(bào)道證實(shí)可采用少數(shù)片并行激發(fā)，但如何有效地采用多片照明光對散射介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行低損傷、高時(shí)空分辨率成像仍是光學(xué)成像的一個(gè)研究熱點(diǎn)。經(jīng)過深思，任煜軒決心采用無窮境系統(tǒng)調(diào)制連續(xù)可見光以破局，用可重構(gòu)的非相干光虛擬光源陣列實(shí)現(xiàn)編碼光片陣列熒光顯微鏡。

相關(guān)成果在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上一經(jīng)發(fā)表，立刻引發(fā)學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注：西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）成像領(lǐng)域?qū)＜衣逅_-阿爾瓦雷斯（L o z a-Alvarez）教授曾發(fā)表同期評論稱：“光片陣列在光片數(shù)目或陣列密度及相干性方面均實(shí)現(xiàn)可控。熒光探測實(shí)現(xiàn)100%的空間占空比，這可以實(shí)現(xiàn)較長的體像素停留時(shí)間，為增強(qiáng)信噪比和減小光的照射劑量提供可能?！泵绹毒劢辜す馐澜纭?Laser Focus World）生物光學(xué)專欄作家理查德·古根（Richard Gaughan）對此項(xiàng)工作也進(jìn)行了題為“編碼光片改進(jìn)熒光體成像”的專題報(bào)道。此外，其還被雜志評選為“2020年度20項(xiàng)光子學(xué)技術(shù)”之一。

面對榮譽(yù)與肯定，任煜軒自然不勝欣喜，但并不驕傲自滿，因?yàn)樗钪O歷盡天華成此景，人間萬事出艱辛的道理。為進(jìn)一步破解光學(xué)的奧秘，他夜以繼日讀文獻(xiàn)、焚膏繼晷做實(shí)驗(yàn)，終在大范圍、大規(guī)模粒子的全光學(xué)遠(yuǎn)程操控這一課題上再迎突破。眾所周知，光子具有動(dòng)量，動(dòng)量的傳遞可以產(chǎn)生輻射壓力，并實(shí)現(xiàn)全光學(xué)懸浮。光束經(jīng)高度匯聚的顯微鏡物鏡聚焦后還可以捕獲微米或納米粒子——這就是大家極為熟悉的“光鑷”。光鑷自被發(fā)現(xiàn)以來的幾十年中，學(xué)術(shù)界對其的探究熱度一直居高不下，但始終難以實(shí)現(xiàn)大范圍操控微粒，同時(shí)也有許多學(xué)者考慮能否采用光束產(chǎn)生逆光子流方向的力來牽引物體。直至2004年，美國西北大學(xué)艾倫（Allen Talflove）教授發(fā)現(xiàn)，介電微球可以將光束聚焦成納米尺度的光子噴流（photonic nanojet)，為高效光學(xué)操控提供新的可能。

這一發(fā)現(xiàn)給予了任煜軒獨(dú)特的科研靈感。站在巨人的肩膀之上，他通過微米級顆粒將脈沖激光聚焦成納米尺度的光子噴流，光子噴流處液體分子吸收光能以后發(fā)生局域膨脹，附近的水分子便可推動(dòng)介電微球向著光源方向運(yùn)動(dòng)。而由于光子噴流伴隨微球出現(xiàn)，光子噴流也會(huì)隨著微球移動(dòng)到一個(gè)新的位置，不斷反向驅(qū)動(dòng)微球運(yùn)動(dòng)，這為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光學(xué)操控提供了新的契機(jī)。此外，光子噴流誘導(dǎo)的光力可以對細(xì)胞種類、形態(tài)、病變以及機(jī)械力學(xué)特性進(jìn)行分類，還可以對空氣、水等中不同微粒進(jìn)行篩選，在環(huán)境保護(hù)和資源利用中也可起到一定的作用。此項(xiàng)研究延續(xù)至今，目前，由此產(chǎn)生的新現(xiàn)象及相關(guān)的機(jī)理研究仍在如火如荼地開展之中。

“光雖然廣泛地存在于每個(gè)人身邊，但其實(shí)仍有許多未解之謎值得探索，可以肯定的是，它不僅可以驅(qū)散黑暗、帶來光明，還可以真正意義上充當(dāng)‘利刃’、提供力量?！比戊宪幷f。