每一束光都有力量
——記復旦大學腦科學轉化研究院青年副研究員任煜軒

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成像、探測等技術的大門。

隨著應用場景的不斷拓展，光學研究與其他學科的結合愈發緊密。生物光子學便是由此衍生出的一門“集大成”學科，不僅涉及生物學、光子學，還包含物理學、工程技術等專業知識，“因此，在投身其中之初，我就做好了終身學習、不斷進取的準備”，復旦大學腦科學轉化研究院青年副研究員任煜軒回顧科研來時路，不勝感慨。聚焦于光學探測領域研究的他對于自己的主研方向不僅有“覺悟”，更有“擔當”。他表示，盡管多種成像技術手段的性能在近年來得到了飛速提升，但光學探測仍是生物學研究中一種非常重要的手段。1925年獲諾貝爾化學獎的超顯微鏡與由此演化而來的光片熒光顯微鏡、2014年獲諾貝爾化學獎的超高分辨率顯微鏡及2018年獲諾貝爾物理學獎的光鑷技術等均可佐證這一點。未來，這一探測手段憑借其非接觸、無損傷等優勢，在生物活體成像和操控中還將持續占據一席不可忽視的地位。

逐“光”而行

俗話說“興趣是最好的老師”，但一名優秀的教師也有可能成為學生“興趣的源泉”，對于中學時代的任煜軒而言，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的求索之中。得益于這一時期的啟蒙，他于2002年考入西北工業大學之際，毅然選擇了物理學科相關的光信息科學與技術專業。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，悄然萌發于這座古城之中。

“基礎扎實、工作踏實、作風樸實、開拓創新”，這是刻印在每位西北工業大學學子心中揮之不去的學術精神。在濃厚學術氛圍的熏陶之下，任煜軒埋首學海，收獲了優異的成績。憑借出色的表現，他在畢業之際收獲了中國科學技術大學拋來的橄欖枝，并在物理實驗中心任教后轉而于光學與光學工程系攻讀光學碩士、博士學位。碩博連讀的5年是任煜軒厚積薄發的5年，他在學術氣息濃厚、儀器設施完備的環境下學習光鑷的基本原理，著手搭建基于光場調控的全息光鑷，在光場調控方面銖積寸累，日就月將。而正是這些技術積累為他后來克服光操控和顯微成像系統中的一些技術難題提供了有益的經驗，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。

隨著科研愈發深入，任煜軒的求知欲望也愈發高漲，他開始深思我國光鑷技術發展的局限與瓶頸，并且萌生了“走出國門去、探索最前沿”的心愿。一貫優異的表現為他帶來了這樣的機會——2010年，他受到國家留學基金委的資助前往美國耶魯大學接受公派聯合培養。雖然項目歷時僅有1年，但無論是在理論知識積累還是實踐能力的提高上，任煜軒均受益匪淺。“國內光鑷研究起步時間其實并不算晚，且近10年來，在光學操控方面也取得了長足進展，但在針對單分子研究的光鑷儀器開發方面仍與國際上具有較大差距。國際上做單分子研究的實驗室多采用自行研制的光鑷設備，而國內則很少有課題組研制專門用來測量單分子的光鑷設備，大多都是從國外購入。”他博士畢業之時，正值中國科學院生物化學與細胞生物學研究所籌建全新的國家蛋白質科學設施。值得一提的是，蛋白質設施在設計之初就非常重視單分子相關儀器的研制，并計劃建立分子影像系統，于是任煜軒毅然加入其中，參與這一系統高精度激光光鑷的研制工作。心懷青衿之志，數年逐“光”而行，然而，剛剛走出“象牙塔”，彼時任煜軒的科研之路仍是道阻且長。

揭示光學奧秘

輾轉多年，從舊金山州立大學、香港大學到如今的復旦大學，均留下了任煜軒追夢的足跡。如今的他已成長為一名獨當一面的研究人員，先后在《光:科學與應用》（Light: Science & Applications）、《ACS光子學》（ACS Photonics）、《納米光子學》（Nanophotonics)、《高級光子學》（Advanced Photonics）、《光學》（Optica）等多個國際學術期刊發表《科學引文索引》（SCI）論文50余篇，而隱含在這些碩果背后的，是多年的堅守與探索。

2019年7月，復旦大學開始籌建腦科學轉化研究院，旨在圍繞國家的重大需求和腦科學前沿，融合醫學、藥學、工學等學科，發展建立一個交叉研究和相互融合的平臺，從而更好地發展、研究腦科學交叉技術并實現成果轉化。腦科學不僅是當下極具挑戰性的前沿學科，也是對人類健康極為重要的應用學科。因此，這一研究方向憑借切實為民眾謀求福祉的特點與依托匯集國內數名頂級專家的優秀平臺打動了任煜軒，他選擇于2021年加入其列。

此前，任煜軒為實現三維成像，并突破樣品掃描對成像速度和系統穩定性帶來的限制潛心研究多年。雖然國際上早有報道證實可采用少數片并行激發，但如何有效地采用多片照明光對散射介質中的結構進行低損傷、高時空分辨率成像仍是光學成像的一個研究熱點。經過深思，任煜軒決心采用無窮境系統調制連續可見光以破局，用可重構的非相干光虛擬光源陣列實現編碼光片陣列熒光顯微鏡。

相關成果在《光：科學與應用》雜志上一經發表，立刻引發學術界廣泛關注：西班牙光子科學研究所（ICFO）成像領域專家洛薩-阿爾瓦雷斯（L o z a-Alvarez）教授曾發表同期評論稱：“光片陣列在光片數目或陣列密度及相干性方面均實現可控。熒光探測實現100%的空間占空比，這可以實現較長的體像素停留時間，為增強信噪比和減小光的照射劑量提供可能。”美國《聚焦激光世界》(Laser Focus World）生物光學專欄作家理查德·古根（Richard Gaughan）對此項工作也進行了題為“編碼光片改進熒光體成像”的專題報道。此外，其還被雜志評選為“2020年度20項光子學技術”之一。

面對榮譽與肯定，任煜軒自然不勝欣喜，但并不驕傲自滿，因為他深諳歷盡天華成此景，人間萬事出艱辛的道理。為進一步破解光學的奧秘，他夜以繼日讀文獻、焚膏繼晷做實驗，終在大范圍、大規模粒子的全光學遠程操控這一課題上再迎突破。眾所周知，光子具有動量，動量的傳遞可以產生輻射壓力，并實現全光學懸浮。光束經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”。光鑷自被發現以來的幾十年中，學術界對其的探究熱度一直居高不下，但始終難以實現大范圍操控微粒，同時也有許多學者考慮能否采用光束產生逆光子流方向的力來牽引物體。直至2004年，美國西北大學艾倫（Allen Talflove）教授發現，介電微球可以將光束聚焦成納米尺度的光子噴流（photonic nanojet)，為高效光學操控提供新的可能。

這一發現給予了任煜軒獨特的科研靈感。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生局域膨脹，附近的水分子便可推動介電微球向著光源方向運動。而由于光子噴流伴隨微球出現，光子噴流也會隨著微球移動到一個新的位置，不斷反向驅動微球運動，這為進一步實現大規模的光學操控提供了新的契機。此外，光子噴流誘導的光力可以對細胞種類、形態、病變以及機械力學特性進行分類，還可以對空氣、水等中不同微粒進行篩選，在環境保護和資源利用中也可起到一定的作用。此項研究延續至今，目前，由此產生的新現象及相關的機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人身邊，但其實仍有許多未解之謎值得探索，可以肯定的是，它不僅可以驅散黑暗、帶來光明，還可以真正意義上充當‘利刃’、提供力量。”任煜軒說。