《圣經》的開篇用“神說，要有光”來講述萬物誕生的過程。在流傳至今的宗教故事和神話傳說中，光也被普遍視作萬物誕生的先決條件。當地球經過數十億年演化，物種幾經更迭、變得空前豐富以后，人類對于生物的研究也逐漸進入了“由表及里”、探尋本質的階段。在這個時候，光又成為人類用以進一步研究生物問題的一把“鑰匙”——通過產生、操縱和檢測光子和量子單位中的光，用于研究生物分子、細胞和組織，以及相關成像技術的開發和應用，即是以超分辨成像、光鑷及納米區域傳感等生物光子學技術為主要工具，涉及生物學和（生物）光子裝置交叉研究的生物光子學。

2020年，《科學》（Science）在創刊125周年之際，對外公布了125個最具挑戰性的科學問題。在物理學相關領域中，第一個問題是：“有衍射極限嗎？（Is there a diffraction limit？）”這個問題正與從事多年生物光子學研究的北京航空航天大學物理學院教授王帆的日常工作息息相關。他說：“由于現在所研究的生物樣本越來越小，例如一般線粒體的溝回可能只有50納米，大概相當于頭發絲橫截面的1/1000，這遠遠超過了我們現在已知的衍射極限。在這么小的尺度上，我們沒有辦法用傳統的手術刀、鑷子來對其進行分割和研究，這時候光子學的手段就成為研究這些樣本的主要手段之一。在追尋類似衍射極限問題答案的路上不斷精進，用光子學的手段來研究這些‘特別小’的東西，就是我現在的工作內容。”

快樂科研：涓滴匯聚“逐光”夢

熱愛運動、喜歡嘗試的王帆，自學生時代起，身上便自有一種肆意的自由氣質。在高考填報志愿時，長于數學和物理的他和自己打了一個頗有自信的賭：“高考數學和物理哪個考了滿分我就報考哪個專業。”而最終，物理滿分的成績也讓他選擇報考北京航空航天大學應用物理專業，并在此度過了4年充實的大學時光。

瑰麗的物理世界，吸引著王帆繼續探索。“讀萬卷書，行萬里路”，本科畢業后，王帆決定去看一看世界之大，而大洋彼岸的澳大利亞就成了他出行的第一站。那時候的王帆還不知道，這里將是他所做研究逐漸走向精深、確立自身研究理念和方向并成果頻出的重要一站。

在澳大利亞新南威爾士大學物理系，王帆度過了為期5年的碩博時光。對王帆欣賞有加的邁克爾·加爾（Michael Gal）教授曾斷言，王帆是非常適合做科研的人。而他的這番鼓勵和支持，也讓王帆在研究之路上堅定地走了下去，先后涉足非線性光學、光鑷技術、納米光子學及生物光子學等研究領域。王帆暢游在知識的海洋中，不知寒暑、樂以忘憂。

事實上，在新南威爾士大學頗具歷史的老實驗室里做新的交叉學科研究，并不是一件容易的事。團隊最初只有導師皮特·J.李斯（Peter J. Reece）博士和王帆兩個人，在承擔科研任務的同時，王帆還要擔當起團隊“大師兄”的職責，挑戰和忙碌幾乎成了他博士階段的主題詞。但實驗室一以貫之的快樂科研宗旨，讓這段忙碌的時光充滿了樂趣。“我們整個實驗室的氛圍很好，導師不會以發文章或出成果為目標來催促我們，他更重視讓我們在科研的過程中找到自己真正的興趣所在。亦師亦友的導師、以熱愛驅動的事業、志同道合的同窗，都是‘快樂科研’的最佳注解。在這里，我也以參與者的身份，較早地就加入半導體納米線等前沿交叉研究領域并取得了不錯的成果，可以說是很快樂也很有收獲的一段經歷。”王帆笑著回憶道。

自此，快樂科研的理念在王帆心中生了根，在博士期間與澳大利亞科學院院士、澳大利亞國立大學謝諾帕提·賈加迪仕（Chennupati Jagadish）教授團隊的良好合作經歷，也為他贏得了赴澳大利亞國立大學開展博士后研究的機會。兩年之后，王帆又應金大勇教授（現澳大利亞工程院院士）的邀請，先后進入澳大利亞麥考瑞大學國家納米生物光子學中心和悉尼科技大學數理學院進行博士后研究工作。提及這段“三做博士后”的經歷，王帆極為感念在研究路上對他幫助和支持頗多的良師益友：“讓我潛心科研的老教授和帶領我探索前沿領域的博士生導師，到今天都仍舊是我非常好的朋友。在他們身上，我收獲了跨越文化差異的真誠友誼。而賈加迪仕教授、伊戈爾（Igor Aharonovich）教授等學術等級大我很多的‘忘年交’，不僅在我最初從事相關研究工作時給予我詳盡的指導，更是在我自己帶領團隊、組建實驗室的時候為我提供了慷慨的技術和資金支持。”而對于研究過程中面對的困難，王帆也有自己的一番理解：“在研究的過程中，遇到自己解釋不了甚至‘前無古人’的問題，第一感覺是興奮，因為那是‘出活兒的地方’。我曾經有過這樣的經歷，遇到一個問題我自己解釋不了，查閱資料發現別人也解釋不了，我就告訴我自己：‘這太好太棒了，那就我來嘗試解釋。’經過討論、模擬，我很幸運地走通了這個研究，還產出了一篇不錯的文章。所以說，這不是挫折，反倒是機會。研究中不遇到困難是不可能的，但是只要一直做下去，總有柳暗花明的可能。”

王帆（左一）與金大勇院士（中）及單旭晨博士合影

在研究路上行進日久，擁有深厚交叉學科背景、思維活躍的王帆并不苦于捕捉新鮮靈感，也不畏懼探索全新領域，他思考更多的是如何圈定自己的發展方向，并最終實現從0到1的開拓創新過程。在這個不斷思索、不斷前行的過程中，王帆在與“光”有關的不同研究領域收獲了亮眼的成果，這也成了他一路走來最為醒目的路標。

三叩其門：專注尋求最優解

作為研究生命科學的重要工具，生物光子學借由單分子、納米探針等技術手段，極大地推動了生命科學、光學成像、光力作用、納米材料及生物物理等諸多科學領域的發展。而納米材料的豐富和進步，更是為生物光子學特別是多功能納米光學探針的發展提供了充足條件。除此之外，光學超分辨顯微技術、光鑷技術，以及單分子、納米顆粒的示蹤技術等技術成果先后應用于生物光子學研究中，也為生物光子學的發展提供了強大的推力。經過多年發展，在生物組織和細胞內部對單納米顆粒、細胞器的成像和操控，以及納米區域內的測溫和溫度控制成為現階段生物光子學面臨的瓶頸挑戰，而開發新的超分辨成像與傳感技術、光鑷理論與方法，提高成像深度與分辨率則是當下亟須解決的關鍵科學問題。

荊棘叢中，自有鮮花盛開；困難之上，亦有碩果待采。富有挑戰精神的王帆選擇迎難而上，從納米材料的光學響應出發，圍繞超分辨成像、納米光鑷及納米光源的表征與傳感等方面開展了深入、系統的研究，先后叩響了超分辨成像、納米光鑷及納米光源傳感的三扇大門，以探究之心、專注之志摘取納米材料及生物光子學相關研究的“荊棘王冠”。

光學超分辨成像是一種觀察亞細胞尺度的生物樣品的活動及形態的光學顯微技術。當觀察對象越來越小，普通光學顯微技術“下限”約為200納米的分辨率遠不能滿足研究需求，而可以提供20～50納米分辨率的超分辨技術就順勢成為更小尺度上的主要研究形式。然而由于穿透深度的局限，大多數超分辨技術僅限于單細胞成像，并不能很好地用于深層組織生物樣品，如何在“夠小”的同時保證“夠深”？王帆給出了如下的答案：針對深層生物組織的吸收問題，他運用上轉換顆粒雙光子能級的近紅外飽和光學響應性質，結合01模式的拉格朗日高斯光線（LG01 beam）開發了激發和發射均為近紅外光的單入射光超分辨技術，首次在93微米深的生物組織切片下實現了超過50納米的分辨率；通過將入射光線調制為模態1的貝塞爾光線（First order Bessel beam），王帆緩解了生物組織的散射問題，實現了在類器官內50微米深度下的單納米顆粒成像，分辨率超過100納米。此外，在與金大勇教授合作的過程中，王帆利用稀土離子多能級非線性差異響應，將不同頻率的空間信息分散至各能級發射波長對應的圖像通道上，再將不同發射波長通道的圖像在傅里葉平面進行剪裁拼接，進一步提高成像質量和分辨率；同時利用納米顆粒的高斜率系數實現了高質量的二階非線性結構光照明超分辨，將深層超分辨的成像速度提升到了1赫茲。這一系列深組織超分辨成像技術不僅為生物物理研究提供了新的研究工具，并且為納米熒光探針的開發提供了新的研究方向，諸如“該技術解決了超分辨系統復雜的激發同步和耦合問題，用簡單的系統實現深層超分辨率高于50納米”“此技術在深組織超分辨達到了里程碑式的成績”等評價接踵而來，相關成果也被應用于類器官內部納米藥物追蹤等領域，潛在應用前景極為廣闊。而王帆并沒有沉溺于成績，他很快打點行裝，叩響了研究路上的第二扇大門。

作為與光鑷頗有淵源的研究者，王帆深知，在將光鑷技術用以操縱納米尺度顆粒的熱門研究之下，如何研究和強化低折射率光鑷納米探針的光力響應始終是光鑷技術研究中的一個難點。早在2010年與賈加迪仕教授團隊合作的過程中，王帆即參與到共同開發納米熒光光鑷并將其應用于研究納米探針力學與光學性質的研究中。自2015年起，王帆又“舊事重提”，開始使用納米熒光光鑷來研究稀土摻雜納米顆粒光力性質。

針對納米顆粒的力學測量，王帆創造性地開發了熒光全息光鑷技術。這一技術的獨特之處在于，其可以在快速操控納米顆粒三維位置的同時，對光力強度和納米顆粒不同位置的熒光光譜和強度進行測量。在具體的應用過程中，這一技術實現了在單一及多光學勢阱內單對納米線平衡位置的測量和驅動力的優化，從而得以對單一半導體納米線的非線性光學性質展開研究，并首次在單一納米線內同時實現了光學二次諧波與雙光子吸收熒光。此外，針對強化低折射率納米顆粒的光力問題，王帆使用熒光全息光鑷技術對上轉換納米顆粒的光力進行了全面系統的測量，首次提出了稀土離子的共振增強納米顆粒的電磁張量及光力的原理。這一原理可以通過調制激光波長及摻雜濃度來增強Clausius–Mossotti系數的實數部分，減小其虛數部分，從而達到最大光力效果，比傳統納米探針的光力效果高30倍；熒光光鑷領域的開拓還為不同納米探針的力學及光學響應研究開發了新的技術，并據此構建完整的離子共振增強光鑷理論。而這項技術更為劃時代的意義在于，這是自光鑷被發明以來，首次突破了光鑷捕捉顆粒所需要的折射率落差限制、實現了單納米顆粒最強的光力效果，并在研究中第一次引入了“光力染色劑”這一概念，為多功能納米顆粒的光學捕捉開辟了新的路徑的同時，也為擬開展的光鑷生物制冷技術做了鋪墊。

而在納米光源器件及傳感層面，針對如何提高測量的空間分辨率及增加測量模態的問題，王帆選擇開發針對單納米顆粒及二維半導體材料的光學表征方法，并應用單納米顆粒的表征結果來開發新的納米監測器件及傳感技術。據此形成的光學表征方法和系統，目前已應用于稀土離子摻雜納米熒光探針內的淬滅機理和內部缺陷的研究，極大程度提高了其發光效率；研究了殼層厚度對納米探針內部能量傳輸的影響；通過分析半導體材料的能級動態數理方程，催生出一種高于300納米的分辨率快速準確地表征半導體納米線摻雜和內量子效率的純光學方法。利用單納米顆粒發射光子數的定量表征結果，王帆及其團隊實現了在寬場下單顆粒的識別及三維定位，同時利用不同的激發條件下不同稀土離子濃度顆粒的差異響應，他們還實現了細胞內的單納米顆粒識別和五維追蹤，并為黏滯系數傳感技術研究提供強大推力，在相關合作研究中誕生的自干涉軸向位置傳感技術等一系列技術成果，也為針對新型納米材料開發的一系列測量拓寬了應用場景。

相關論文先后見諸《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）、《自然·通訊》（Nature Communications）、《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）、《納米快報》（Nano Letters）、《先進材料》（Advanced Materials）等期刊，收獲大衛·賽姆（David Syme）研究獎、iCANX青年科學家獎和澳大利亞青年學者獎等榮譽，王帆在從研路上始終干勁滿滿。無論是在熒光納米探針的非線性能量輸運、離子共振及熒光自干涉效應等光學響應機理方面深耕細作，或是基于上述機理實現的深組織超分辨成像、離子共振光鑷和納米等級距離傳感技術，探索和發現始終是他不變的主旋律。而當他回望來時路，中國在生物光子學領域取得的成就更讓王帆心潮澎湃。2022年年初，暌別祖國十余年的王帆毅然回國，他決心在母校北京航空航天大學中，將自己所學所研所思的成果傳遞給更多后來人。

重回母校：扛起傳承的重任

從求學其間的學子，到成為授業解惑的教師，王帆回到北京航空航天大學的第一感受，就是“學校的變化挺大的”——“實驗設備空前豐富、各級支持力度特別大、教學人才梯隊建設有序進行、學院整體發展勢頭強勁，整個物理學院都呈現出一種蓬勃向上的積極狀態。”王帆介紹道。這種昂揚的氛圍給了剛剛入職的王帆莫大的信心，他與鐘曉嵐副教授一起成立納米光量子學團隊，就此“落戶”于北京航空航天大學物理學院，展開熒光納米探針的光學響應、新型生物光子學技術、光量子的顯微學等方面的研究。

回國以后忙碌的生活，讓精力充沛、愛好廣泛的王帆也不時發出“太忙了”的感慨。不過這并沒有讓王帆放松自己在科研層面的高要求，反而催生了他與團隊更大的探索熱情。提及目前的研究方向，王帆用“大融合”來為其作注。“特別是將超分辨成像與凝聚態技術結合到一起的相關研究，目前在國內還屬于‘冷門’，技術和設備門檻‘雙高’和對從研人員交叉研究背景的嚴格要求，是這一研究尚未成為大熱議題的關鍵。但這一研究內容的獨特之處，就是借由相關技術，我們不僅可以觀測到待研究粒子的‘樣子’，更能了解到其在細胞中的具體運動狀態是怎樣的。相關研究將有助于我們從更小的尺度分析生命體，更有助于我們更透徹地了解生命的本源，這無疑是一個有趣且非常有意義的研究方向，更是一個從0到1的新方向。不簡單重復曾經獲得成果的‘舊路’，而是從基礎研究的緯度入手探索新領域，將是我和我的團隊走出的第一步。”王帆詳細地介紹道。除此之外，王帆同樣重視推動相關技術成果實現有效轉化及應用，并期待相關研究可以在與眾多企業、研究機構的合作過程中取得良好的社會和經濟收益。例如在國內已經取得頗多階段性成果的光學超分辨領域，王帆就其芯片化和多模態化的兩種主要發展趨勢，著力構建產品小型化理論體系及技術體系，并積極探索多種超分辨技術打“組合拳”的可行性方案。他說：“在已經取得成績的超分辨成像、納米光鑷、納米光源傳感領域繼續攻堅，在新的研究方向勇敢沖鋒，往不同的方向多走一走，自然會看到不同的風景。”

王帆（左二）與《光》執行主編白雨虹女士（左一）、《自然光子學》主編奧利弗·格雷頓（左三）、《自然》物理方向主編卡爾·澤梅里斯（左四）及中國科學院大學重慶學院張煒教授合影

與此同時，王帆也時刻謹記傳承的責任。從自身的經歷出發，王帆在向學生傳授知識的同時，也積極地傳遞著快樂科研的科研理念。在日常的學習和工作過程中，王帆很少給自己的學生“派雜活兒”，他期望學生將全部的精力投入到科研和學習的過程中，并在這一過程中發掘自己真正的興趣所在。在王帆看來，正處于“當打之年”的學生在科研路上具有無限可能，而他要做的，就是逐步搭建自己的團隊，為團隊成員和學生提供良好的研究環境，并通過有效的合作形式讓整個團隊緊密地聯合在一起，進而在不斷探索的過程中使其獲取“自行運轉”的核心科研能力。“未來3到5年，我希望可以把現在十來個人的團隊發展成一個擁有良好梯度的30人左右的科研團隊，并能夠在基礎研究和產業化層面均有所建樹。我個人的力量是有限的，培養團隊的學術敏銳度，讓整個團隊可以始終擁有蓬勃的科研生命力，同時通過良好的協作產出好的研究成果和產品，將是團隊發展的長期目標。”王帆堅定地說道。