作者:郭巳秋 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2023/12/4 17:28:19
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专访北京航空航天大学王帆教授

 

初见王帆教授给我留下了深刻印象,觉得他俨然就是书中走出来的那位彬彬有礼、饱读诗书、才华出众的君子。在与王帆教授的交流中,我深深感受到他对学术的热爱和追求,以及他热情好客、待人和善、温润如玉的一面。

他的思维深刻而开阔,能够从不同的角度看待问题,给人以启发。王帆教授是青年科学家翘楚,他积极参与各种学术活动,关心前沿技术问题,致力于攻克可以推动生物光子学进步和发展的科研难关。

王帆教授的才华、学识、品德和家庭责任感都让我感到钦佩和敬重。接下来,让我们走近“Light人物”王帆教授的世界,共同领略他的肆意洒脱的精彩人生。

王帆 教授

王帆,教授,博士生导师,北京航空航天大学物理学院, 海外高层次引进人才,主要从事生物光子学、纳米光子学、超分辨显微成像和光镊的研究。共发表SCI 文章80篇, 第一/通讯文章含Nature Nanotech,Light: Science & Applications,Nature Communications,Optica,Nano Letters,和Advanced Materials。任中国光学学会生物医学光子学委员会青年委员,中国激光杂志社青年编委,中国稀土学报青年编委,“Frontiers in Chemistry” 副编委,和“European Physical Journal”客座编委。王帆教授先后在澳大利亚国立大学Chennupati Jagadish院士团队,麦考瑞大学澳大利亚生物光子学研究中心James A. Piper教授团队,悉尼科技大学金大勇院士团队担任纳米、生物光子学方向的研究负责人,2019年被悉尼科技大学聘为Chancellors Postdoctoral Research Fellow学者,并开始成立自己的研究小组。2020年被澳大利亚科研理事会(ARC)授予澳大利亚优秀青年学者奖(DECRA),并开始成立自己的研究小组。曾获得澳大利亚David Syme研究奖以及iCANX青年科学家奖。2022年回到北京航空航天大学成立纳米光子学课题组。

采访嘉宾:王帆

本期通讯员:郭巳秋

原文信息:Guo, S. Light People: Professor Fan Wang. Light Sci Appl 12, 214 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01263-7

Q:在澳洲求学和工作的十多年,您做了许多漂亮的科研工作,也让您获得了澳大利亚青年学者奖、澳大利亚大卫·赛姆(David Syme)研究奖和iCANX青年科学家奖等荣誉,能简单介绍下您在超分辨显微成像、光镊技术方向取得的突破性成果吗?

A:这些年来的成果是团队一起努力的结果,学生们都非常给力。总的来说,算是在交叉学科上取得了一定成绩。我感兴趣的方向比较多,在广泛涉猎后,把主要精力放在学科交叉上,我经常跟学生们说,我们的光学研究要具有材料的特点和优势,我们的材料研究要实现光学技术的应用,他山之石,可以攻玉,这也是交叉学科的意义。

我接触超分辨显微成像是从2017年正式加入金大勇院士组开始的。刚入行,帮助金院士做了一些发表在Nature上的相关工作 [1],让我产生浓厚兴趣,各种超分辨技术就好像小时候打三国的一个个武将,都有自己的特殊属性,但是却有一个共同的特点就是成像深度不够,大部分超分辨成像都是单细胞,活体超分辨率显示很难实现。之前,牛津大学的Martin Booth教授采用的是自适应补偿方式,而我创新结合金院士课题组纳米材料的近红外荧光成像优势,开发了一系列适合深层组织成像的技术。这些技术是基于上转换纳米材料独特的非线性响应性质,效果非常好,比较典型的是2018年我们利用材料的荧光饱和性质,使用一束涡旋光束穿透100μm深的生物组织,实现了50nm的分辨率成像[2]。该项工作难度就好比肉眼穿透烟雾看清一只忙碌的小蚂蚁的腿毛,该工作提供了一个里程碑式数值,目前该文章被引已超过150次。之后,我们还利用上转换颗粒的超线性荧光效应、不同能级的差异效应等又做了一系列工作。除了利用非线性响应,受北京大学席鹏教授发表在Light上的文章——Mirror-enhanced super-resolution microscopy[3]的启发,利用稀土掺杂纳米颗粒中的多离子荧光辐射的优势,使用镜面反射实现了单纳米颗粒的荧光自干涉效应,并利用该效应开发了快速距离成像传感技术,实现了超过50Hz频率下的1nm传感精度[4]。

2010年,攻读博士时我开始研究光镊技术,但是和主流光镊生物应用方向不一样,我的具体方向是用光镊来研究单纳米颗粒的光谱学性质。当时,我和澳洲科学院主席Chennupati Jagadish院士合作,成为了比较早用光镊研究半导体纳米线的研究人员之一,也和这些研究人员结下了深厚的友谊。做纳米尺度光镊实际非常困难,因为尺寸太小,整体的极化率就很小,光力也会比较小,尤其是针对折射率比较小的颗粒,比如把玻璃珠放在杯子里,再倒上水,会发现找不到玻璃珠了,就是因为折射率相差太小了,光线都没有偏折,换句话说光与物质的作用力太小了。所以在纳米尺度下常用的探针只有金颗粒,但是它存在很严重的发热问题。 当采用上转纳米换颗粒做光镊时,我们发现了一个特别有意思的事情,就是这种颗粒折射率特别低,但是操控非常稳定,所以我们就现开发了一个新技术,研究它为什么这么稳定,不研究不知道,世界真奇妙,原来是颗粒体内的几千个离子共振的结果,这种共振可以直接将极化率拉满,形成现阶段纳米尺度下最强的光力探针[5]。不仅如此,这种颗粒同时还可以作为“光力染色剂”,给细胞的不同位置、不同的细胞器染色,其他染色剂是染到哪儿就可以在哪儿成像,这种“光力染色剂”是染到哪儿在成像的同时还能增加光力,实现有效操控。

Q:在澳洲您曾做过三次博士后,可以和我们分享一下这段不平凡的经历吗?

A:在澳洲的时候是换过不少学校,几乎在悉尼所有的大学都待过,包括新南威尔士大学、悉尼大学、麦考瑞大学、悉尼科技大学,再加上堪培拉的澳洲国立大学,五个学校,五色缤纷。不过这一段经历还挺平凡的,对于我们科研人员来说,找到教职之前颠沛流离,换两三个地方很正常,只不过我比较喜欢澳洲所以一直留在了那里。

我的博士后经历可以归纳为六个字,大师兄专业户。每一个实验室都流传着各自大师兄的传说,是因为那批人往往是第一波搭建实验室的人,没人带,最辛苦。他们的时间被各种问题撕成碎片,散落在地上,但是最终累积起来却成了整个实验室的地基。当然他们受到的历练也比别人多。我就是一直在当大师兄。

第一段博士后经历其实是博士的最后一年,不是博士后胜似博士后。我是我博士导师Peter Reece的第一个博士,博士头两年的时候也是组里唯一的博士,Peter Reece也是刚回新南威尔士大学没多久,刚开始主要是搭各种系统,调试各种设备,后面才有时间真正做研究。博士的最后一年和博士后基本一样,定课题方向、维护设备、带师弟师妹。那时跟Chennupati Jagadish院士的合作比较多,他人也特别好,光学表征那边急需找个负责人,所以2013年还没交论文就去他那边做博士后了,从光镊跳到了微纳光子学。

那两年的时光软软的,很松弛,时间被拉的很长,很神奇,两年像好几年,感觉每天有好多时间,尽管很忙,但是可以干好多事情。大号的大师兄,帮众多博士生和合作者设计和指导光子学实验、重新搭建了几套微区时间分辨光谱系统光电流系统等,还得维护和培训商用系统,就是自己没有太多时间做研究工作。从前的时光漫长,有时间和人交流,帮助别人,所以有些朋友、合作者一直合作到现在。

后来,在考虑签订更长时间的合同时,Light悉尼办公室负责人金大勇院士给我画了一张很大很香的生物光子学大饼,大到现在这张饼还在我手上,时不时拿起来咬两口。正因如此,我举家迁回悉尼,准备在麦考瑞大学渡过后面七年甚至更长的时间,还在附近买了房。可是这么稳定怎么能配得上“科研狗”的称号。没过多久金院士去了悉尼科技大学,然后应金院士的邀请,我开始为麦考瑞大学Jim Piper教授(沉痛悼念,Jim Piper教授于2023年7月20日过世)和悉尼科技大学金院士团队同时工作。两边跑,时间就像进了脉冲压缩机,一下子变短了好多,天天特别忙。尤其在悉尼科技大学,我是金院士带过去的第一个博士后,也是光学这边的唯一博士后,需要管理光学研究方向并且带着学生从零开始搭建实验室,这回是大大号大师兄了。

在两个学校搭建设备确实非常不容易,所以后来很快就全职到悉尼科技大学开启第三任博士后。前面说时间进了压缩机,好处是输出峰值变高了,但是输出频率却变慢了。全职后,负责的学生增多,学科交叉产生了新的创新成果,几经周折拿到悉尼科技大学的Chancellors Postdoctoral Research Fellow学者和澳洲优青,结束了博士后生涯。随之而来的是,第一批海外优青回国,我又从零开始搭建自己的实验室。

图1:四世同堂。王帆教授的博士导师Peter Reece, 王帆教授,Peter Reece的导师Michael Gal, 王帆教授的博士学生陈朝浩博士(从左到右)

图2:王帆教授、金大勇院士和王帆老师之前的博士学生单旭晨博士(从左到右)

图3:王帆教授和Chennupati Jagadish院士

Q:2022年,您怀揣梦想回到祖国并组建了自己的科研团队,请介绍一下您的研究方向和最新的研究进展。

A:2022年,回到北京航空航天大学,回到当时读本科的应用物理系,又见到了当时的老师们,看学生们像是看到了二十年前的自己,满是情怀。但是,又得从头开始搭建实验室,用了近一年的时间,主要靠我之前两个博士生单旭晨和刘保磊,现在是北航的讲师,是我们实验室的大师兄。综合回来后的资源、人脉以及自己的兴趣,扬长避短,独辟蹊径,现在实验室研究方向大概为三个。

第一个方向是继续纳米探针的光镊研究,之前我们的研究发现了世界上最强的光力探针,现在正是开展后续工作的最好时机。我们最近利用上转换颗粒开发了一种超分辨光子学力学显微镜,首次能够在水溶液中实现三维空间内的极弱力测量,达到理论上纳米尺度力学测量的热学极限,针对亚飞牛等级的测力,比之前报导的测量时间要快大概50倍。这个技术对于研究生命科学还是有非常大作用的,不仅可以研究抗原和抗体的结合、DNA碱基对的结合、细胞表面整合蛋白对弱力的响应,还可以观测一些动态的力学响应。后续在这个方向上还有几个其他项目正在进行,由单旭晨博士负责。

第二个方向是超分辨成像与计算光学,这个方向是现代光学发展的热点之一。沿着之前利用探针非线性增强的方向,近期的一个工作是我们利用动态逐步算法求解出上转换荧光图像中非线性变化,提高图像的分辨率,这个方法的优点是可以和各种成像模态叠加,实现多模增益。在计算光学方面,我们将之前开发的自进化鬼成像技术拓展到不同波长与成像模态,由刘保磊博士负责。

第三个方向是我最感兴趣的,也是我自己来负责,就是将超分辨、计算光学与低维材料的表征与光子学调控相结合。但是,只有一些比较初步的想法,所以我自己来研究。就像看电视剧或者脱口秀,都按套路出牌,知道后面发生什么就没意思了。当然,现阶段分身乏术,开始一个新的研究方向比之前困难太多。

Q:2018年,您在Light上发表的文章“Microscopic inspection and tracking of single upconversion nanoparticles in living cells”被评选为第三期封面文章[6],请您介绍一下这篇文章的创新之处以及封面图片背后的故事。

A:这篇文章的工作是2017年在第三任博士后期间做的,是我对上转换颗粒性质以及应用的进一步探索。在为之前Nature文章服务的时候,我搭建了一套单颗粒表征系统,并发现我们的颗粒绝对亮度非常强而且均一,有稳定可控的光子数输出,还有很强的非线性。结合单颗粒响应的补偿算法正好完美的解决了单颗粒示踪方面在区分单颗粒、低信噪比方面的挑战,不仅不需要使用EMCCD等高灵敏设备,还为多分录复用示踪添加了光强调控纬度。在这个工作发表不久,诺奖得主朱蒂文教授来访澳洲时聊起此项工作,还给我分享了他们一篇有异曲同工之妙的工作, 后来他们的这项成果发到了Nature Photonics上。在做我们这项工作的时候,为了证明该方法的灵敏度与独特性,我们做了一个有意思的实验,找了很多我们学院的人来识别到底需要多少个光子人眼才可以分辨图像,需要多少个光子视锥细胞开始占主导感知颜色,大家都是抢着来参与实验,效果特别好,这也就是为什么封面图片是一只眼睛。

而这只是谁的眼睛呢,自然得找有版权的眼睛。当时设计封面的时候正在国外开会,还把笔记本丢了,现买的笔记本装软件来做这个图,本来想建模设计,但是怎么看怎么别扭,一转头就瞅见我太太了,我喜欢我太太的眼睛,就直接拍照来用了,效果还挺好的。我后来时不时会拿我太太的照片在各个地方客串,这样她就更支持我的工作啦。

图4:2018年第三期Light封面

图5:太太客串:声光调制器的调试阶段,利用激光在荧光卡上绘制灰度图像

Q:您很重视推动相关技术成果实现有效转化及应用,您认为未来光学超分辨技术产品化的发展趋势是什么?

A:成果转化是科研至关重要的一环,让我们知道那些原本只存在我们脑子的想法是可以开花结果产生价值的。国内的转化土壤特别好,现在生产超分辨的显微设备厂家已经不少了,大家都很有自己的特色,但是主流设备还是体积比较大。所以小型化乃至芯片化,或者显微镜模块化超分辨是现在的发展趋势。科研上已经有很多课题组通过微纳加工,把STORM、SIM、移频超分辨、暗场显微、相差显微移植到了芯片儿上,用普通的显微镜搭配这些芯片就可以实现超分辨和其他模态。这些技术如果可以进行稳定持续的图像输出商用的前景还挺大的。现在的系统也有模块化趋势,比如超分辨功能就是个单独的模块,插到传统显微镜上就可以工作。我们也打算沿着这个方向做一些工作,有些想法,但是还没有足够人手做。在这里也欢迎志同道合的博士后加入我们的团队(www.fanwanglab.com),一起攻坚克难。

Q:在您的职业生涯中,有没有对您影响非常大的人或者事?是以什么方式影响的?

A:这个其实是个非常难回答的问题,因为职业生涯中有太多人,太多事儿对我有影响,有些是显而易见的,有些是潜移默化的,有些是蝴蝶效应就像那枚帮助我决定大学读哪个方向的硬币。就说说对事情的态度吧,这种态度现在都对我影响很大。Peter Reece是我博士导师,Mike Gal是我师爷,一个澳洲人,一个匈牙利人,每天都很开心,因为科研使他们快乐,像Peter Reece即便是同时承担三门授课任务,一周有一天能做点实验到晚上就能缓过来。他们让我感受到了科研的乐趣与魅力,这是一种没有压力的自由感,路飞尼卡形态。这个对我的影响真的挺大的,我后面带团队的理念基本也是降低压力,自由发挥。但是对于大部分人来说,压力与动力是相辅相成的,我当时的师弟师妹也没什么压力,动力也少,就没发文章。按传统思想来说他们后面发展都会受到局限,但是他们后来生活都过得非常丰富多彩。同样奔流到海,有的波澜壮阔,有的绕过九曲山川,有的小溪潺潺,都是不一样的精彩。科研干的是不是最好不要紧,后面干不干科研也不要紧,要紧的是新的科研想法能不能激发你的荷尔蒙,有没有坚持连着弯好几天腰调光路的执着,这是我从我老师我的好哥们儿Peter Reece那边学来的。

Q:您在教学中您更注重培养学生哪些能力?在团队建设中您有哪些管理策略?

A:对于本科学生来说培养对科学的兴趣最重要,让他们知道这个很有意思,放长线钓大鱼,让他们爱上科研。对于硕士来说就要培养科研基础和好的科研习惯,比如说搭建光路和编程等基础能力,还有更重要的辩证性思维以及处理问题有始有终的习惯。对于博士首先要培养辩证性思维,以发展的眼光看待问题,不要盲目相信有话语权的人。唯有如此,才能发现别人发现不了的问题。博士还要培养对项目的掌控能力,对科研发展方向的大局观和敏感程度,要知道我们这个齿轮带动的是怎么样的一部“巨型机器”,怎么带动的,这部机器往哪跑。

我的管理策略非常中规中矩,跟大多数团队一样,管理就是典型的金字塔,比较有效率,一级管一级。但是完全这样也不行,我与学生接触的太少了,所以一直在改变,想要增加和学生互动的时间。而且要给学生和团队人员一定自由,因为不同的成员有不一样的风格,要尊重个人的选择,但同时又要考虑团队的发展和资源平衡,借用光学一个词叫“自适应”管理,每个人的目标都在变化,人的心性也会变化,需要不断调整。关键是找到反馈项,也就是短线和长线的科研产出。

Q:您是如何平衡科研工作和个人生活的呢?

A:平衡科研与个人生活对于我们大多数科研人员来说都是难题,因为科研与生活很难严格划分界限,而且两者都需要大量的时间,尤其是对于结了婚有小孩的科研人员。我这边启用的是时间任务模块化处理,就是将各种任务切成小块与自己的时间相匹配,利用上每一分每一秒的时间,我书包里一直有三块手机充电宝和一块笔记本充电宝,基本可以保证我在任何能办公的状态下办公。琐碎性的任务利用琐碎时间,写文章编程等要连续思路的就要用晚上的连续时间。这样省下来下班回家到孩子睡觉前的时间,包括周末我也会尽量多陪伴家庭,时光一逝永不回,小孩子眨眼就长大了。当然,也许小孩长大了会变成比我们更厉害的科学家,所以陪伴家庭也算是变相辅助科研。我平时也有一些小的业余爱好,摄影、音乐等,自娱自乐,能特别有效的缓解压力。

Q:我知道您有两个帅气的儿子,您对他们有怎样的期待?

A:我想让他们子承父业加入科研行业,也想让他们完成我没有实现的梦想,搞音乐搞艺术。但是,我的想法其实不重要,重要的是他们怎么想。让他们能够按照自己的意愿发展,就是我的期待,跟我父母教育我是一样的。当然培养能力和生存手段还是必要的,为的是让他们有能力干他们想干的,至少解决温饱。我现在的车本还是A本,上大学前我爸让我学的,说这样以后没饭吃可以拉货去。说到货,王小波说“人该是自己生活的主宰,不是别人手里的行货”,我非常认同。

Q:您在国内外很多高质量科技期刊上发表过重要研究成果,那么您认为我国科技期刊在高质量建设方面有哪些优势和劣势?

A:国内期刊的优势有很多,主要来说有以下几点:

(1)我国拥有庞大的科技人才队伍,为科技期刊提供了丰富的稿件来源和高质量的研究成果;

(2)国家对科技创新和科技期刊建设的重视程度不断提高,投入了大量的资金和资源来支持科技期刊的发展,咱们国家很擅长集中资源办大事;

(3)基于我国科技在某些领域的特色发展,如材料科学、信息科学等,中国期刊在某些领域具有一定的特色和优势。

在优点之外国内期刊也还有少数有待改进的地方:

(1)虽然国内期刊的整体水平在上升阶段,但是综合来讲,与国际先进水平还是有一定差距。这个差距还是体现在期刊的影响力上,这个不仅仅是影响因子,而是科研工作者们对期刊的认可程度。就比如有很多同事包括我国自己的科研人员在投稿时都会选择一些老牌的国际知名杂志,尽管我国一些杂志的影响因子都很高。主要是因为这些老牌杂志已经创出了口碑,口碑好才是真的好。而影响因子涉及到引用和发文量,并不能完全代表口碑。所以国内期刊如何能够提升口碑是目前的主要任务。

(2)我国科技期刊的国际化程度还不够,就是我们对国际上的科研同僚们的吸引力还不够,来自国际的优秀稿件还不够多。其中一个原因是国际同僚对我们的期刊还不熟悉。我还记得在Light成立之初,澳洲国立大学的Ping Koy Lam教授跟我说他觉得他的文章发表在Light上也挺好的因为同一期还有诺奖得主的文章。所以我们要扩大国际化还要注意吸收国际上知名大组的优秀稿件。

(3)我国科技期刊的审稿制度和编辑出版流程等方面如果能再优化就更吸引人了,如果每一篇稿件都可以送到背景比较合适的审稿人那里就特别完美了。而且如果编辑对相应的科研内容有更多的判断能力就更好了,但是对于期刊编辑尤其是学术兼职编辑来说时间太有限了,接触的稿件研究方向又比较广,所以这点还挺难的。

Q:有什么话想和青年科学家共勉?

A:共勉的话很多,浓缩成一个词,可能就是“坚持”二字。逆风常有,明明昨天还花好月圆,今天就遭连夜雨,后天结果又柳暗花明了,这是学术和人生的常态。科研很纯粹,就是探索未知,收获“开地图”的成就感。但是,为了这份纯粹需要先让自己和团队“活下来”,这就涉及到一堆随时都能让你不那么纯粹的麻烦事儿,就是这些事儿在一根一根的薅我们的头发。我们要做的就是坚守,不忘初心,不被琐事蒙蔽双眼。但说得容易,做起来好难。五六年前的一天,阳光很好,我的心情不好,我坐火车上班,经过一个大大的广告牌,是教育培训机构,车很快,但我看的很清楚,当年的合作者澳洲杰青Alexander Argyros在广告上笑的很纯粹,很开心。当天我就开始找公司的工作,后面拿到offer的时候差一点就跟学术拜拜了。后来还是没舍得学术,留下来了。记得那天还喝了点小酒,敬无常,敬学术,敬我们怎么调也调不好的光路,敬我们科研工作者自己。

图6:This is the life, it goes up and down. 我大儿子有一次钻到柜子的格子里,屁股上的“This is the life”凸显出来,像生活一样吧,有时候爬到很高很显眼、有时候掉在地上摔成两半。

参考文献

[1]. Liu, Y. J. et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature 543, 229-233 (2017).

[2]. Chen, C. H. et al. Multi-photon near-infrared emission saturation nanoscopy using upconversion nanoparticles. Nature Communications 9, 3290 (2018).

[3]. Yang, X. S. et al. Mirror-enhanced super-resolution microscopy. Light: Science & Applications 5, e16134 (2016).

[4]. Liu, Y. T. et al. Axial localization and tracking of self-interference nanoparticles by lateral point spread functions. Nature Communications 12, 2019 (2021).

[5]. Shan, X. C. et al. Optical tweezers beyond refractive index mismatch using highly doped upconversion nanoparticles. Nature Nanotechnology 16, 531-537 (2021).

[6]. Wang, F. et al. Microscopic inspection and tracking of single upconversion nanoparticles in living cells. Light: Science & Applications 7, 18007 (2018).

本期通讯员/Light科学编辑

郭巳秋,工学博士,就职于中国科学院长春光机所Light学术出版中心,现任 Light: Science & Applications(Light) 的姊妹刊 Light: Advanced Manufacturing(LAM) 编辑部主任、Light科学编辑。参与LAM期刊创刊,主持制定编写LAM稿件处理流程、审稿流程、编辑加工规则及流程、期刊文字版式设计、期刊印刷装订规则等;并在卓越计划领军期刊等数项国家、省部级项目中担任主创成员;曾参与多项科研项目,发表多篇学术文章。(来源:中国光学微信公众号)

 
 
 
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