王輝

近年來，3D電影越來越受到人們的追捧。走進3D電影院，帶上一副偏振眼鏡，立體影像便展現(xiàn)在眼前。

其實，3D電影只是偏振應(yīng)用的冰山一角。很少有人意識到，我們周邊實際上是一個偏振光的世界。通過對偏振光性質(zhì)的測量，我們可以檢測區(qū)分不同的癌變組織，可以分辨不同粒徑和成分的氣體污染顆粒物，可以對海洋中的微生物進行現(xiàn)場計數(shù)與細致分類……而這些都是清華大學深圳研究生院教授馬輝正在研究的內(nèi)容。

光學方法是使用時間最長、基礎(chǔ)積淀最深厚、應(yīng)用范圍最廣泛，并且仍然迅速發(fā)展的觀測手段?！罢帐ソ?jīng)的說法，上帝創(chuàng)造世界做的第一件事就是創(chuàng)造光。”馬輝告訴記者，人類最早就是通過眼睛和光認識周邊世界，隨后用望遠鏡認識星空宇宙，用顯微鏡認識微觀世界，光學測量方法的發(fā)展伴隨著自然科學發(fā)展的整個歷程。

如今，光學仍然是一個非常具有活力的科學領(lǐng)域，并不斷獲得諾貝爾獎。例如，2008年的綠色熒光蛋白（GFP）、2009年的光纖和CCD以及去年的LED和超分辨成像。“如果你把這些成果串起來，你會發(fā)現(xiàn)在這短短幾年中，光學成像方法全鏈條各個環(huán)節(jié)都獲得了諾貝爾獎：GFP對樣品實現(xiàn)分子特異性對比度增強，LED是新型光源，光纖代表一種新型光路器件，CCD是新型探測器，而超分辨成像則是新的光學成像機理。”可以看出，古老的光學觀測方法正不斷煥發(fā)出新的生命力！2013年，聯(lián)合國確定2015年為“光之年”。

偏振是光的一個屬性，但很不幸，人類以及絕大多數(shù)動物的眼睛對光的偏振并不敏感。因此，盡管偏振這個詞大家都耳熟能詳，但偏振方法的潛力一直沒有得到真正重視，做偏振研究的人很少，偏振的應(yīng)用也很少。從2004年開始，馬輝將偏振光散射這個看起來并不時髦的領(lǐng)域作為自己的研究方向。

十幾年來，人們在越來越多的領(lǐng)域開始意識到偏振測量的潛力，馬輝滿懷自信地說：“偏振可以大大增加光學方法獲取信息的能力，它將是光學發(fā)展的新方向，在信息技術(shù)突飛猛進的今天，偏振方法前景無限！”。

實現(xiàn)癌癥早期檢測

馬輝告訴記者，光學方法很適合于生物樣品。它基本不產(chǎn)生損傷，分辨率可以達到亞細胞層次，還可用于從活細胞到組織、器官和個體等不同層次的生物樣品?！暗锝M織是不透明的，因為它有散射，當激光照射進人體，光能透進去，但看不清里面的血管和骨頭。散射破壞了光的有序性質(zhì)，這是光學方法用于生物組織最大的問題?！瘪R輝解釋道，“利用偏振方法，可以抑制多次散射退偏光子對測量結(jié)果的貢獻，提高生物組織淺表層測量的分辨率。”

馬輝最開始研究偏振方法的一個基本目的就是降低散射的影響，提高成像質(zhì)量?！叭藗儼l(fā)現(xiàn)，85%以上的癌變首先在上皮組織中產(chǎn)生，提高表皮組織成像的分辨率有可能幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)早期癌變?！?/p>

偏振測量的另一個功能是獲得生物組織微觀結(jié)構(gòu)的信息。馬輝告訴記者，散射可以改變光的方向，破壞成像結(jié)果，但散射也可以影響光的偏振，帶來新的信息。通過研究散射光偏振的變化與散射體的大小、密度、形狀和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，人們可以獲得樣品豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息，由此發(fā)現(xiàn)生物組織的異常和病變，實現(xiàn)病理診斷。

此外，偏振可以幫助提高淺表層組織成像的分辨率，還能夠測量生物組織微觀結(jié)構(gòu)的變化，在癌癥早期診斷方面具有很好的應(yīng)用前景。馬輝介紹，他們正與深圳南山醫(yī)院病理科合作測量癌變組織?！叭癯上窠心吕站仃嚦上?，我們從醫(yī)院找來很多不同類型的癌變樣品做穆勒矩陣成像，包括皮膚基底細胞癌、甲狀腺乳頭狀腺癌、乳腺癌以及宮頸癌等等?，F(xiàn)在我們已經(jīng)有一些證據(jù)，能證明全偏振成像的確有可能用于癌變的定量表征，但是我們還需要繼續(xù)搜集大量的樣本積累數(shù)據(jù)?！?/p>

2015年，馬輝獲得了國家重大科研儀器研制項目，他將利用這幾年的最新基礎(chǔ)研究成果和技術(shù)進展研發(fā)模塊化穆勒矩陣顯微鏡，演示其典型臨床應(yīng)用。同時，他還將建立實驗室研究平臺，針對各個模塊開展原理和方法學探索和工程開發(fā)，研究信息提取方法和大數(shù)據(jù)分析方法，不斷改進儀器，推動產(chǎn)業(yè)化。

“2014年，超分辨成像的其中一個諾貝爾獎獲得者赫爾，首先在激光成像中實現(xiàn)了超分辨，但他采用的方法很復(fù)雜，不好使用。但赫爾很機靈，他讓萊卡公司把他的方法做成了儀器，給生物學家用。盡管這個儀器現(xiàn)在仍然要賣一千萬人民幣，并且仍然不那么好用，但由于生物學家展示了他的巨大應(yīng)用價值，白茲格利用貝爾納的工作成果實現(xiàn)了另一種更好用、更便宜的光學超分辨成像方法，最后三個人一起得獎?！瘪R輝總結(jié)道，“光有好概念、好方法還不行，必須推廣出去，讓企業(yè)介入把方法變成產(chǎn)品，供更多的人使用。我這個儀器項目就是要發(fā)展一系列方法和裝置，并且拉上企業(yè)做儀器，為生物學家和醫(yī)生提供新的工具，提出新的需求，帶動偏振方法的研究?！?/p>

作為探索者，馬輝一路走來碰壁不少，他說：“走很多彎路之后最后發(fā)現(xiàn)碰對了，也是一種享受。我覺得做科研就要經(jīng)歷這些過程！我會沿著這條路繼續(xù)往下走，把偏振的潛力不斷挖掘出來。”

偏振開啟一扇門

馬輝做偏振成像和應(yīng)用是半路出家，他1988年在英國帝國理工學院獲得博士學位，1989年回國，后來加入清華物理系工作，有十幾年時間他一直從事原子分子光譜基礎(chǔ)研究。1995年對馬輝來說是一個轉(zhuǎn)折點。這一年，他在美國麻省理工學院訪問，與世界頂級科學家合作，研究雙原子分子高激發(fā)態(tài)光譜。

這一年中，馬輝參觀了很多實驗室?！拔以诼槭±砉W院了解到利用拉曼光譜發(fā)現(xiàn)癌變和利用光學相干斷層成像測眼底的工作，在麻省綜合醫(yī)院參觀了交叉學科的威爾曼實驗室，在阿貢國家實驗室參觀了高分子光電轉(zhuǎn)換材料研究組，這些都給了我非常深刻的印象?！边@些交叉學科前沿研究讓基礎(chǔ)研究出身的馬輝思索起來，“那一年我確實開始有些想法，覺得自己還是喜歡做偏應(yīng)用一些的研究”。

回國后馬輝逐步把工作重點轉(zhuǎn)向生物物理實驗方法研究。從1998年到2003年，他率先在國內(nèi)開展雙光子熒光成像和光學二次諧波成像，與國際上基本同步。他還建立了熒光漲落譜分析方法，并在熒光偏振成像方面開始探索，“我覺得那時候還真是進展很快，每天都有新的東西”。

2003年，馬輝被調(diào)到剛剛建立的清華大學深圳研究生院。深圳是中國改革開放的窗口，有突出的創(chuàng)新文化和快速成長的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但高等教育卻滯后于經(jīng)濟發(fā)展?！吧钲谟兄粋€很強、很完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，而且非常重視應(yīng)用。在深圳做事，不得不考慮創(chuàng)新將來可能用在哪，能產(chǎn)生多大的影響?！泵撾x于北京裝備精良的實驗室，馬輝重新思索科研方向。“深圳研究生院有兩個特點，一個是產(chǎn)業(yè)合作，一個是學科交叉。既然來到深圳，就必須充分利用這些特點。”

2004年，從英國回來的一位老師加入了馬輝課題組?！八鲞^OCT方面的研究，于是我們決定做OCT產(chǎn)業(yè)化。為了同OCT的研究互相呼應(yīng)，我也開始進行偏振光散射及其應(yīng)用研究，這是一個全新的研究方向！”

馬輝向記者介紹，OCT就是光學相干斷層掃描儀的簡稱，它可以通過背向散射對眼底視網(wǎng)膜或眼角膜進行微米量級高分辨成像，為醫(yī)生提臨床診斷信息。課題組與當?shù)毓竞献?，開啟了OCT產(chǎn)業(yè)化之路。

時至今日，當初合作的小公司已經(jīng)占據(jù)中國眼科OCT產(chǎn)品30%以上市場份額，實驗室畢業(yè)的幾個碩士也成為了公司的骨干。與此同時，針對偏振光散射的研究也日益深入，從最初一個應(yīng)用小課題，逐步產(chǎn)生新問題，帶出新模型、計算程序、實驗方法和應(yīng)用，形成了完整的研究方向?；叵胝麄€發(fā)展歷程，馬輝十分感慨：“當初做偏振成像的時候我并沒有很高的期待值，周圍朋友也不認為它有多大的前途，但深入做下去就闖出一條路，而且可能是一條康莊大道。我們周圍是一個偏振光的世界，當你能感受偏振的時候，你會發(fā)現(xiàn)這個世界如此豐富多彩！”

最近，偏振研究越來越引起人們的關(guān)注，馬輝帶領(lǐng)團隊堅持了10余年，已經(jīng)形成自己的研究特色，在國際上嶄露頭角。目前馬輝在偏振上專注于做四件事，“第一是測量，我們發(fā)展了一系列方法，能夠測得更加準確和迅速；第二是信息提取，就是針對不同應(yīng)用尋找一些具有特異性的偏振指標，比如某種癌變的臨床診斷指標；第三是信息解釋，就是要知道不同微觀結(jié)構(gòu)如何影響散射光偏振態(tài)變化，為解決逆問題提供支撐；第四就是應(yīng)用，千方百計把偏振用于解決各種實際問題。應(yīng)用也是我認為最重要的一件事”。

做一個牽線人

對馬輝來說，偏振能為我們提供一個信息寶藏。他打了一個形象的比喻，“不考慮偏振的時候，我們相當于用一個字母來給不同人命名，也就是只能用強度編碼。甲叫a，乙叫aa，丙叫aaa……而偏振能讓我們用單詞命名，jia、yi、bing……穆勒矩陣的16個陣元相當于給了我們16個字母，可以形成各種組合，我們描繪周邊世界的能力一下子提高很多”。另外，偏振方法具有普適性，現(xiàn)有光學方法都可能通過偏振調(diào)制升級為偏振方法，應(yīng)用于不同類型的問題和樣品。

2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞，世界上污染最嚴重的10個城市，有7個在中國。為此，我國在霧霾高發(fā)的16個省份選擇了43個監(jiān)測點，以期掌握不同地區(qū)PM2.5污染特征及成分差異?！爸袊奈廴竞軓?fù)雜，往往不知道污染源是什么，我們正在同一家公司和環(huán)保部門合作，發(fā)展一種利用偏振散射對空氣中顆粒物進行計數(shù)、分類和源解析的儀器”，他進一步解釋，“這就像一個農(nóng)貿(mào)市場，原先我們只能估算人流總量，現(xiàn)在能告訴你不同時刻男人、女人、小孩各有多少，便于優(yōu)化管理?！?/p>

幾年前，馬輝參與了國家海底觀測試驗網(wǎng)項目，負責數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。專業(yè)敏感性使馬輝開始思考如何將偏振應(yīng)用到海洋，“通過這個項目我知道了很多海洋方面的需求，我們可以利用偏振方法升級現(xiàn)有的光學技術(shù)，提高通過測量所能獲得的信息量”。

從上世紀80、90年代開始，全球平均氣溫比100年前上升了0.48℃，科學家們針對全球變暖這一自然現(xiàn)象提出了種種猜測。馬輝告訴記者，“其實藻類對環(huán)境變化影響很大，通過監(jiān)測海洋里不同類型的藻類，將不同海域里不同藻類的濃度等測出來，科學家就能探究氣候變暖的原因”。

馬輝常將自己的工作比喻為“造槍”，“我們就是要提供新型手段，幫助別人獲得信息。我就像一個造槍的，我不打仗，但我?guī)椭蛘痰娜?，提升軍隊的?zhàn)斗力”。

從事科學研究，興趣莫過于最好的助推劑?！拔矣X得發(fā)現(xiàn)問題之后解決問題很好玩，我就是喜歡做科研?！彪m然時常奔波于全國各地甚至國外，但馬輝說：“這些年為科研而奔波，我還是挺享受的?！?/p>

在馬輝眼中，偏振好似一顆正在發(fā)芽的種子。數(shù)年來，在他的悉心呵護下，這顆種子破土而出，漸漸長大。他相信偏振在未來的應(yīng)用潛力終將被更多人認知，就像彩色電視替代了黑白電視，偏振下的新景色將給人類帶來一個翻天覆地的變化。