每一束光都有力量——记复旦大学脑科学转化研究院青年副研究员任煜轩

王艳敏

任煜轩

人类对于光的研究由来已久。最初，人们只是试图回答“人为什么能看见周围的物体”等类似问题，却在生生不息的探索之下逐渐叩开了光学成像、探测等技术的大门。

随着应用场景的不断拓展，光学研究与其他学科的结合愈发紧密。生物光子学便是由此衍生出的一门“集大成”学科，不仅涉及生物学、光子学，还包含物理学、工程技术等专业知识，“因此，在投身其中之初，我就做好了终身学习、不断进取的准备”，复旦大学脑科学转化研究院青年副研究员任煜轩回顾科研来时路，不胜感慨。聚焦于光学探测领域研究的他对于自己的主研方向不仅有“觉悟”，更有“担当”。他表示，尽管多种成像技术手段的性能在近年来得到了飞速提升，但光学探测仍是生物学研究中一种非常重要的手段。1925年获诺贝尔化学奖的超显微镜与由此演化而来的光片荧光显微镜、2014年获诺贝尔化学奖的超高分辨率显微镜及2018年获诺贝尔物理学奖的光镊技术等均可佐证这一点。未来，这一探测手段凭借其非接触、无损伤等优势，在生物活体成像和操控中还将持续占据一席不可忽视的地位。

逐“光”而行

俗话说“兴趣是最好的老师”，但一名优秀的教师也有可能成为学生“兴趣的源泉”，对于中学时代的任煜轩而言，正是如此：他曾在物理课堂上，被老师有条不紊、逻辑清晰的解题思路深深吸引，从此沉浸在对物理知识的求索之中。得益于这一时期的启蒙，他于2002年考入西北工业大学之际，毅然选择了物理学科相关的光信息科学与技术专业。草堂烟雾、太白积雪，伴着高亢嘹亮的秦腔，任煜轩的逐“光”之梦，悄然萌发于这座古城之中。

“基础扎实、工作踏实、作风朴实、开拓创新”，这是刻印在每位西北工业大学学子心中挥之不去的学术精神。在浓厚学术氛围的熏陶之下，任煜轩埋首学海，收获了优异的成绩。凭借出色的表现，他在毕业之际收获了中国科学技术大学抛来的橄榄枝，并在物理实验中心任教后转而于光学与光学工程系攻读光学硕士、博士学位。硕博连读的5年是任煜轩厚积薄发的5年，他在学术气息浓厚、仪器设施完备的环境下学习光镊的基本原理，着手搭建基于光场调控的全息光镊，在光场调控方面铢积寸累，日就月将。而正是这些技术积累为他后来克服光操控和显微成像系统中的一些技术难题提供了有益的经验，如增大显微镜纵向视场范围，提高双光子显微镜横向分辨率等。

随着科研愈发深入，任煜轩的求知欲望也愈发高涨，他开始深思我国光镊技术发展的局限与瓶颈，并且萌生了“走出国门去、探索最前沿”的心愿。一贯优异的表现为他带来了这样的机会——2010年，他受到国家留学基金委的资助前往美国耶鲁大学接受公派联合培养。虽然项目历时仅有1年，但无论是在理论知识积累还是实践能力的提高上，任煜轩均受益匪浅。“国内光镊研究起步时间其实并不算晚，且近10年来，在光学操控方面也取得了长足进展，但在针对单分子研究的光镊仪器开发方面仍与国际上具有较大差距。国际上做单分子研究的实验室多采用自行研制的光镊设备，而国内则很少有课题组研制专门用来测量单分子的光镊设备，大多都是从国外购入。”他博士毕业之时，正值中国科学院生物化学与细胞生物学研究所筹建全新的国家蛋白质科学设施。值得一提的是，蛋白质设施在设计之初就非常重视单分子相关仪器的研制，并计划建立分子影像系统，于是任煜轩毅然加入其中，参与这一系统高精度激光光镊的研制工作。心怀青衿之志，数年逐“光”而行，然而，刚刚走出“象牙塔”，彼时任煜轩的科研之路仍是道阻且长。

揭示光学奥秘

辗转多年，从旧金山州立大学、香港大学到如今的复旦大学，均留下了任煜轩追梦的足迹。如今的他已成长为一名独当一面的研究人员，先后在《光:科学与应用》（Light: Science & Applications）、《ACS光子学》（ACS Photonics）、《纳米光子学》（Nanophotonics)、《高级光子学》（Advanced Photonics）、《光学》（Optica）等多个国际学术期刊发表《科学引文索引》（SCI）论文50余篇，而隐含在这些硕果背后的，是多年的坚守与探索。

2019年7月，复旦大学开始筹建脑科学转化研究院，旨在围绕国家的重大需求和脑科学前沿，融合医学、药学、工学等学科，发展建立一个交叉研究和相互融合的平台，从而更好地发展、研究脑科学交叉技术并实现成果转化。脑科学不仅是当下极具挑战性的前沿学科，也是对人类健康极为重要的应用学科。因此，这一研究方向凭借切实为民众谋求福祉的特点与依托汇集国内数名顶级专家的优秀平台打动了任煜轩，他选择于2021年加入其列。

此前，任煜轩为实现三维成像，并突破样品扫描对成像速度和系统稳定性带来的限制潜心研究多年。虽然国际上早有报道证实可采用少数片并行激发，但如何有效地采用多片照明光对散射介质中的结构进行低损伤、高时空分辨率成像仍是光学成像的一个研究热点。经过深思，任煜轩决心采用无穷境系统调制连续可见光以破局，用可重构的非相干光虚拟光源阵列实现编码光片阵列荧光显微镜。

相关成果在《光：科学与应用》杂志上一经发表，立刻引发学术界广泛关注：西班牙光子科学研究所（ICFO）成像领域专家洛萨-阿尔瓦雷斯（L o z a-Alvarez）教授曾发表同期评论称：“光片阵列在光片数目或阵列密度及相干性方面均实现可控。荧光探测实现100%的空间占空比，这可以实现较长的体像素停留时间，为增强信噪比和减小光的照射剂量提供可能。”美国《聚焦激光世界》(Laser Focus World）生物光学专栏作家理查德·古根（Richard Gaughan）对此项工作也进行了题为“编码光片改进荧光体成像”的专题报道。此外，其还被杂志评选为“2020年度20项光子学技术”之一。

面对荣誉与肯定，任煜轩自然不胜欣喜，但并不骄傲自满，因为他深谙历尽天华成此景，人间万事出艰辛的道理。为进一步破解光学的奥秘，他夜以继日读文献、焚膏继晷做实验，终在大范围、大规模粒子的全光学远程操控这一课题上再迎突破。众所周知，光子具有动量，动量的传递可以产生辐射压力，并实现全光学悬浮。光束经高度汇聚的显微镜物镜聚焦后还可以捕获微米或纳米粒子——这就是大家极为熟悉的“光镊”。光镊自被发现以来的几十年中，学术界对其的探究热度一直居高不下，但始终难以实现大范围操控微粒，同时也有许多学者考虑能否采用光束产生逆光子流方向的力来牵引物体。直至2004年，美国西北大学艾伦（Allen Talflove）教授发现，介电微球可以将光束聚焦成纳米尺度的光子喷流（photonic nanojet)，为高效光学操控提供新的可能。

这一发现给予了任煜轩独特的科研灵感。站在巨人的肩膀之上，他通过微米级颗粒将脉冲激光聚焦成纳米尺度的光子喷流，光子喷流处液体分子吸收光能以后发生局域膨胀，附近的水分子便可推动介电微球向着光源方向运动。而由于光子喷流伴随微球出现，光子喷流也会随着微球移动到一个新的位置，不断反向驱动微球运动，这为进一步实现大规模的光学操控提供了新的契机。此外，光子喷流诱导的光力可以对细胞种类、形态、病变以及机械力学特性进行分类，还可以对空气、水等中不同微粒进行筛选，在环境保护和资源利用中也可起到一定的作用。此项研究延续至今，目前，由此产生的新现象及相关的机理研究仍在如火如荼地开展之中。

“光虽然广泛地存在于每个人身边，但其实仍有许多未解之谜值得探索，可以肯定的是，它不仅可以驱散黑暗、带来光明，还可以真正意义上充当‘利刃’、提供力量。”任煜轩说。