“光子时代”的追光者——记北京航空航天大学物理学院教授王帆-凯发一触即发

《圣经》的开篇用“神说，要有光”来讲述万物诞生的过程。在流传至今的宗教故事和神话传说中，光也被普遍视作万物诞生的先决条件。当地球经过数十亿年演化，物种几经更迭、变得空前丰富以后，人类对于生物的研究也逐渐进入了“由表及里”、探寻本质的阶段。在这个时候，光又成为人类用以进一步研究生物问题的一把“钥匙”——通过产生、操纵和检测光子和量子单位中的光，用于研究生物分子、细胞和组织，以及相关成像技术的开发和应用，即是以超分辨成像、光镊及纳米区域传感等生物光子学技术为主要工具，涉及生物学和（生物）光子装置交叉研究的生物光子学。

2020年，《科学》（science）在创刊125周年之际，对外公布了125个最具挑战性的科学问题。在物理学相关领域中，第一个问题是：“有衍射极限吗？（is there a diffraction limit？）”这个问题正与从事多年生物光子学研究的北京航空航天大学物理学院教授王帆的日常工作息息相关。他说：“由于现在所研究的生物样本越来越小，例如一般线粒体的沟回可能只有50纳米，大概相当于头发丝横截面的1/1000，这远远超过了我们现在已知的衍射极限。在这么小的尺度上，我们没有办法用传统的手术刀、镊子来对其进行分割和研究，这时候光子学的手段就成为研究这些样本的主要手段之一。在追寻类似衍射极限问题答案的路上不断精进，用光子学的手段来研究这些‘特别小’的东西，就是我现在的工作内容。”

快乐科研：涓滴汇聚“逐光”梦

热爱运动、喜欢尝试的王帆，自学生时代起，身上便自有一种肆意的自由气质。在高考填报志愿时，长于数学和物理的他和自己打了一个颇有自信的赌：“高考数学和物理哪个考了满分我就报考哪个专业。”而最终，物理满分的成绩也让他选择报考北京航空航天大学应用物理专业，并在此度过了4年充实的大学时光。

瑰丽的物理世界，吸引着王帆继续探索。“读万卷书，行万里路”，本科毕业后，王帆决定去看一看世界之大，而大洋彼岸的澳大利亚就成了他出行的第一站。那时候的王帆还不知道，这里将是他所做研究逐渐走向精深、确立自身研究理念和方向并成果频出的重要一站。

在澳大利亚新南威尔士大学物理系，王帆度过了为期5年的硕博时光。对王帆欣赏有加的迈克尔·加尔（michael gal）教授曾断言，王帆是非常适合做科研的人。而他的这番鼓励和支持，也让王帆在研究之路上坚定地走了下去，先后涉足非线性光学、光镊技术、纳米光子学及生物光子学等研究领域。王帆畅游在知识的海洋中，不知寒暑、乐以忘忧。

事实上，在新南威尔士大学颇具历史的老实验室里做新的交叉学科研究，并不是一件容易的事。团队最初只有导师皮特·j.李斯（peter j. reece）博士和王帆两个人，在承担科研任务的同时，王帆还要担当起团队“大师兄”的职责，挑战和忙碌几乎成了他博士阶段的主题词。但实验室一以贯之的快乐科研宗旨，让这段忙碌的时光充满了乐趣。“我们整个实验室的氛围很好，导师不会以发文章或出成果为目标来催促我们，他更重视让我们在科研的过程中找到自己真正的兴趣所在。亦师亦友的导师、以热爱驱动的事业、志同道合的同窗，都是‘快乐科研’的最佳注解。在这里，我也以参与者的身份，较早地就加入半导体纳米线等前沿交叉研究领域并取得了不错的成果，可以说是很快乐也很有收获的一段经历。”王帆笑着回忆道。

自此，快乐科研的理念在王帆心中生了根，在博士期间与澳大利亚科学院院士、澳大利亚国立大学谢诺帕提·贾加迪仕（chennupati jagadish）教授团队的良好合作经历，也为他赢得了赴澳大利亚国立大学开展博士后研究的机会。两年之后，王帆又应金大勇教授（现澳大利亚工程院院士）的邀请，先后进入澳大利亚麦考瑞大学国家纳米生物光子学中心和悉尼科技大学数理学院进行博士后研究工作。提及这段“三做博士后”的经历，王帆极为感念在研究路上对他帮助和支持颇多的良师益友：“让我潜心科研的老教授和带领我探索前沿领域的博士生导师，到今天都仍旧是我非常好的朋友。在他们身上，我收获了跨越文化差异的真诚友谊。而贾加迪仕教授、伊戈尔（igor aharonovich）教授等学术等级大我很多的‘忘年交’，不仅在我最初从事相关研究工作时给予我详尽的指导，更是在我自己带领团队、组建实验室的时候为我提供了慷慨的技术和资金支持。”而对于研究过程中面对的困难，王帆也有自己的一番理解：“在研究的过程中，遇到自己解释不了甚至‘前无古人’的问题，第一感觉是兴奋，因为那是‘出活儿的地方’。我曾经有过这样的经历，遇到一个问题我自己解释不了，查阅资料发现别人也解释不了，我就告诉我自己：‘这太好太棒了，那就我来尝试解释。’经过讨论、模拟，我很幸运地走通了这个研究，还产出了一篇不错的文章。所以说，这不是挫折，反倒是机会。研究中不遇到困难是不可能的，但是只要一直做下去，总有柳暗花明的可能。”

王帆（左一）与金大勇院士（中）及单旭晨博士合影

在研究路上行进日久，拥有深厚交叉学科背景、思维活跃的王帆并不苦于捕捉新鲜灵感，也不畏惧探索全新领域，他思考更多的是如何圈定自己的发展方向，并最终实现从0到1的开拓创新过程。在这个不断思索、不断前行的过程中，王帆在与“光”有关的不同研究领域收获了亮眼的成果，这也成了他一路走来最为醒目的路标。

三叩其门：专注寻求最优解

作为研究生命科学的重要工具，生物光子学借由单分子、纳米探针等技术手段，极大地推动了生命科学、光学成像、光力作用、纳米材料及生物物理等诸多科学领域的发展。而纳米材料的丰富和进步，更是为生物光子学特别是多功能纳米光学探针的发展提供了充足条件。除此之外，光学超分辨显微技术、光镊技术，以及单分子、纳米颗粒的示踪技术等技术成果先后应用于生物光子学研究中，也为生物光子学的发展提供了强大的推力。经过多年发展，在生物组织和细胞内部对单纳米颗粒、细胞器的成像和操控，以及纳米区域内的测温和温度控制成为现阶段生物光子学面临的瓶颈挑战，而开发新的超分辨成像与传感技术、光镊理论与方法，提高成像深度与分辨率则是当下亟须解决的关键科学问题。

荆棘丛中，自有鲜花盛开；困难之上，亦有硕果待采。富有挑战精神的王帆选择迎难而上，从纳米材料的光学响应出发，围绕超分辨成像、纳米光镊及纳米光源的表征与传感等方面开展了深入、系统的研究，先后叩响了超分辨成像、纳米光镊及纳米光源传感的三扇大门，以探究之心、专注之志摘取纳米材料及生物光子学相关研究的“荆棘王冠”。

光学超分辨成像是一种观察亚细胞尺度的生物样品的活动及形态的光学显微技术。当观察对象越来越小，普通光学显微技术“下限”约为200纳米的分辨率远不能满足研究需求，而可以提供20～50纳米分辨率的超分辨技术就顺势成为更小尺度上的主要研究形式。然而由于穿透深度的局限，大多数超分辨技术仅限于单细胞成像，并不能很好地用于深层组织生物样品，如何在“够小”的同时保证“够深”？王帆给出了如下的答案：针对深层生物组织的吸收问题，他运用上转换颗粒双光子能级的近红外饱和光学响应性质，结合01模式的拉格朗日高斯光线（lg01 beam）开发了激发和发射均为近红外光的单入射光超分辨技术，首次在93微米深的生物组织切片下实现了超过50纳米的分辨率；通过将入射光线调制为模态1的贝塞尔光线（first order bessel beam），王帆缓解了生物组织的散射问题，实现了在类器官内50微米深度下的单纳米颗粒成像，分辨率超过100纳米。此外，在与金大勇教授合作的过程中，王帆利用稀土离子多能级非线性差异响应，将不同频率的空间信息分散至各能级发射波长对应的图像通道上，再将不同发射波长通道的图像在傅里叶平面进行剪裁拼接，进一步提高成像质量和分辨率；同时利用纳米颗粒的高斜率系数实现了高质量的二阶非线性结构光照明超分辨，将深层超分辨的成像速度提升到了1赫兹。这一系列深组织超分辨成像技术不仅为生物物理研究提供了新的研究工具，并且为纳米荧光探针的开发提供了新的研究方向，诸如“该技术解决了超分辨系统复杂的激发同步和耦合问题，用简单的系统实现深层超分辨率高于50纳米”“此技术在深组织超分辨达到了里程碑式的成绩”等评价接踵而来，相关成果也被应用于类器官内部纳米药物追踪等领域，潜在应用前景极为广阔。而王帆并没有沉溺于成绩，他很快打点行装，叩响了研究路上的第二扇大门。

作为与光镊颇有渊源的研究者，王帆深知，在将光镊技术用以操纵纳米尺度颗粒的热门研究之下，如何研究和强化低折射率光镊纳米探针的光力响应始终是光镊技术研究中的一个难点。早在2010年与贾加迪仕教授团队合作的过程中，王帆即参与到共同开发纳米荧光光镊并将其应用于研究纳米探针力学与光学性质的研究中。自2015年起，王帆又“旧事重提”，开始使用纳米荧光光镊来研究稀土掺杂纳米颗粒光力性质。

针对纳米颗粒的力学测量，王帆创造性地开发了荧光全息光镊技术。这一技术的独特之处在于，其可以在快速操控纳米颗粒三维位置的同时，对光力强度和纳米颗粒不同位置的荧光光谱和强度进行测量。在具体的应用过程中，这一技术实现了在单一及多光学势阱内单对纳米线平衡位置的测量和驱动力的优化，从而得以对单一半导体纳米线的非线性光学性质展开研究，并首次在单一纳米线内同时实现了光学二次谐波与双光子吸收荧光。此外，针对强化低折射率纳米颗粒的光力问题，王帆使用荧光全息光镊技术对上转换纳米颗粒的光力进行了全面系统的测量，首次提出了稀土离子的共振增强纳米颗粒的电磁张量及光力的原理。这一原理可以通过调制激光波长及掺杂浓度来增强clausius–mossotti系数的实数部分，减小其虚数部分，从而达到最大光力效果，比传统纳米探针的光力效果高30倍；荧光光镊领域的开拓还为不同纳米探针的力学及光学响应研究开发了新的技术，并据此构建完整的离子共振增强光镊理论。而这项技术更为划时代的意义在于，这是自光镊被发明以来，首次突破了光镊捕捉颗粒所需要的折射率落差限制、实现了单纳米颗粒最强的光力效果，并在研究中第一次引入了“光力染色剂”这一概念，为多功能纳米颗粒的光学捕捉开辟了新的路径的同时，也为拟开展的光镊生物制冷技术做了铺垫。

而在纳米光源器件及传感层面，针对如何提高测量的空间分辨率及增加测量模态的问题，王帆选择开发针对单纳米颗粒及二维半导体材料的光学表征方法，并应用单纳米颗粒的表征结果来开发新的纳米监测器件及传感技术。据此形成的光学表征方法和系统，目前已应用于稀土离子掺杂纳米荧光探针内的淬灭机理和内部缺陷的研究，极大程度提高了其发光效率；研究了壳层厚度对纳米探针内部能量传输的影响；通过分析半导体材料的能级动态数理方程，催生出一种高于300纳米的分辨率快速准确地表征半导体纳米线掺杂和内量子效率的纯光学方法。利用单纳米颗粒发射光子数的定量表征结果，王帆及其团队实现了在宽场下单颗粒的识别及三维定位，同时利用不同的激发条件下不同稀土离子浓度颗粒的差异响应，他们还实现了细胞内的单纳米颗粒识别和五维追踪，并为黏滞系数传感技术研究提供强大推力，在相关合作研究中诞生的自干涉轴向位置传感技术等一系列技术成果，也为针对新型纳米材料开发的一系列测量拓宽了应用场景。

相关论文先后见诸《自然·纳米技术》（nature nanotechnology）、《自然·通讯》（nature communications）、《光：科学与应用》（light: science & applications）、《纳米快报》（nano letters）、《先进材料》（advanced materials）等期刊，收获大卫·赛姆（david syme）研究奖、icanx青年科学家奖和澳大利亚青年学者奖等荣誉，王帆在从研路上始终干劲满满。无论是在荧光纳米探针的非线性能量输运、离子共振及荧光自干涉效应等光学响应机理方面深耕细作，或是基于上述机理实现的深组织超分辨成像、离子共振光镊和纳米等级距离传感技术，探索和发现始终是他不变的主旋律。而当他回望来时路，中国在生物光子学领域取得的成就更让王帆心潮澎湃。2022年年初，暌别祖国十余年的王帆毅然回国，他决心在母校北京航空航天大学中，将自己所学所研所思的成果传递给更多后来人。

重回母校：扛起传承的重任

从求学其间的学子，到成为授业解惑的教师，王帆回到北京航空航天大学的第一感受，就是“学校的变化挺大的”——“实验设备空前丰富、各级支持力度特别大、教学人才梯队建设有序进行、学院整体发展势头强劲，整个物理学院都呈现出一种蓬勃向上的积极状态。”王帆介绍道。这种昂扬的氛围给了刚刚入职的王帆莫大的信心，他与钟晓岚副教授一起成立纳米光量子学团队，就此“落户”于北京航空航天大学物理学院，展开荧光纳米探针的光学响应、新型生物光子学技术、光量子的显微学等方面的研究。

回国以后忙碌的生活，让精力充沛、爱好广泛的王帆也不时发出“太忙了”的感慨。不过这并没有让王帆放松自己在科研层面的高要求，反而催生了他与团队更大的探索热情。提及目前的研究方向，王帆用“大融合”来为其作注。“特别是将超分辨成像与凝聚态技术结合到一起的相关研究，目前在国内还属于‘冷门’，技术和设备门槛‘双高’和对从研人员交叉研究背景的严格要求，是这一研究尚未成为大热议题的关键。但这一研究内容的独特之处，就是借由相关技术，我们不仅可以观测到待研究粒子的‘样子’，更能了解到其在细胞中的具体运动状态是怎样的。相关研究将有助于我们从更小的尺度分析生命体，更有助于我们更透彻地了解生命的本源，这无疑是一个有趣且非常有意义的研究方向，更是一个从0到1的新方向。不简单重复曾经获得成果的‘旧路’，而是从基础研究的纬度入手探索新领域，将是我和我的团队走出的第一步。”王帆详细地介绍道。除此之外，王帆同样重视推动相关技术成果实现有效转化及应用，并期待相关研究可以在与众多企业、研究机构的合作过程中取得良好的社会和经济收益。例如在国内已经取得颇多阶段性成果的光学超分辨领域，王帆就其芯片化和多模态化的两种主要发展趋势，着力构建产品小型化理论体系及技术体系，并积极探索多种超分辨技术打“组合拳”的可行性方案。他说：“在已经取得成绩的超分辨成像、纳米光镊、纳米光源传感领域继续攻坚，在新的研究方向勇敢冲锋，往不同的方向多走一走，自然会看到不同的风景。”

王帆（左二）与《光》执行主编白雨虹女士（左一）、《自然光子学》主编奥利弗·格雷顿（左三）、《自然》物理方向主编卡尔·泽梅里斯（左四）及中国科学院大学重庆学院张炜教授合影

与此同时，王帆也时刻谨记传承的责任。从自身的经历出发，王帆在向学生传授知识的同时，也积极地传递着快乐科研的科研理念。在日常的学习和工作过程中，王帆很少给自己的学生“派杂活儿”，他期望学生将全部的精力投入到科研和学习的过程中，并在这一过程中发掘自己真正的兴趣所在。在王帆看来，正处于“当打之年”的学生在科研路上具有无限可能，而他要做的，就是逐步搭建自己的团队，为团队成员和学生提供良好的研究环境，并通过有效的合作形式让整个团队紧密地联合在一起，进而在不断探索的过程中使其获取“自行运转”的核心科研能力。“未来3到5年，我希望可以把现在十来个人的团队发展成一个拥有良好梯度的30人左右的科研团队，并能够在基础研究和产业化层面均有所建树。我个人的力量是有限的，培养团队的学术敏锐度，让整个团队可以始终拥有蓬勃的科研生命力，同时通过良好的协作产出好的研究成果和产品，将是团队发展的长期目标。”王帆坚定地说道。