马骋:打破极限,用光子学手段探测生物

来源:科技日报作者:滕继濮责任编辑:王俊
2017-03-08 05:54

光学显微镜分辨率的极限曾被认为是200纳米左右。而获得2014年诺贝尔化学奖的超高分辨率荧光显微技术,则通过一系列物理原理和化学机制打破了“衍射极限”,把光学显微镜的分辨率又提高了几十倍,使人类以前所未有的视角观察生物微观世界。

第二,光的波长能引起能级之间的跃迁,这意味着我们通过光可以很直接的看到与分子相关的信息。第三,光电子技术,包括通讯、传感等近年来发展迅猛,对生物光子学的发展起到了极大推动作用。

生物光子学,由生命科学和物理科学交叉融合形成,使生命科学直接深入到物质结构的深层次,并由此带动了生命科学的深度发展。

进去是光, 出来是超声

光子学有两大极限,一个就是“衍射极限”,但这已被突破;另一个就是散射极限,它阻碍着光子学探测的穿透深度。这一屏障正等待着科学家们攻克,马骋就是其中之一。

“光有很多好处,但也有一个问题,就是散射。”马骋说,看云、看雾,我们都看不穿,这就是因为散射。光子学只能看到一些表浅的东西,比如说病理切片。由于散射的限制,光子能够穿透的深度一般也就一毫米。马骋的目标就是“看得更深些”。

当我们用手电筒照手掌心,可以看到光是能够透过的,只是量少了很多。“光其实能够穿透很深,问题是传播方向变了。”马骋边说边用手比划。光被散射之后,传播方向就随机变化,导致无法用其成像。

但是,超声可以!如用激光照射一杯牛奶,牛奶会被激光点亮,但是这束激光无法再形成一束激光出去。但光的能量被牛奶吸收,就会生热,生热就会膨胀,这一过程会产生超声波。超声信号在生物组织中,基本上就是走直线,“我们可以通过检测超声来成像”。

这就是生物光子学中一个独特的研究方向——光声成像。这是近年发展起来的一种新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时,组织的光吸收域将产生超声信号。这种由光激发产生的超声信号被称为光声信号,携带了组织的光吸收特征信息,通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像从原理上避开了光散射的影响。

光声成像使深层组织光子学成像前景无限,马骋在国外求学时在这一领域取得过突破,这也是他回国后科研工作的一个重要部分。

成长之路: 原点、起点和小目标

清华是马骋的原点,在清华大学读本科时,马骋修的是光电子专业,如今又回到母校回到本系任教;十年来,他历经海外求学、任职、回国,清华又是马骋的一个起点。

2006年,马骋赴美在弗吉尼亚理工大学攻读博士,师从光电传感界的“大牛”王安波,主要从事光纤传感的研究。2012年,马骋博士毕业后到华盛顿大学进行博士后研究,主攻生物医学光子学。

关于求学历程,马骋说一开始对物理很感兴趣所以就学了光电子,因为光电子中有很多很有意思的物理现象;光纤传感中不仅有很多的物理知识,也跟实际应用联系紧密,感觉有很多有意思的东西可以做。后来,马骋对光电子在生物医学领域的应用产生了极大的兴趣,于是果断地进入了生物光子学领域。

马骋在华盛顿大学汪利宏教授团队进行博士后研究阶段所负责的波前工程与光声成像项目是生物光子学领域的前沿方向,他的工作集中在利用光与声的相互作用在复杂介质内聚焦以及成像,其工作在《自然》杂志新闻特写专访中被报道。他和所在团队进行了一系列开创性探索,取得了丰硕成果,其结果发表在了2014年12月的《自然—光子学》以及2015年1月份的《自然—通讯》杂志上。

2016年,获得国家“青年千人”计划支持,马骋回到了阔别十年的北京。

“现在政府的政策非常好,鼓励科研工作者去创新。当时在国外时就想着回国挺好,真正回国了之后,与国内的学者一块交流、在这个环境里开始奋斗的时候,你会发现比想象的还要好。”目前,马骋还在组织建设团队和实验室,“撸起袖子加油干”形容他的状态再合适不过。

“从事生物光子学要求对个人的知识体系有极大的扩充。我现在不断的学习,感觉在生物学和医学方面,自己的知识储备还很不够。我们很多工作要和生物学家、医生合作,自己需要和他们有共同语言,才能更顺畅的交流,把好技术恰当的运用到更多的领域。”于是在马骋的书架上摆上生物、医学书籍就很合理了。

出于科研需要,更出于个人兴趣,马骋为自己定了一个“小目标”:在某几个专攻领域能像医生那样给人看病。马骋曾经问过一个学医的朋友,说我想达到这个目标,需要怎么做?朋友说,比较困难。

“但我觉得短期是比较困难,但这是一辈子的事,可能学个十年二十年,不断的积累。”马骋目前跟一些医生合作搞研究。“跟什么样的专家合作,就可以学到什么样的知识,加上自身不断努力,日积月累或许至少可以当半个医生了。”

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