1.1　生命科學(xué)與光學(xué)的交叉與相互促進(jìn)

任何生物（包括人類）的個(gè)體都是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，均由復(fù)雜的器官和系統(tǒng)組成。而器官和系統(tǒng)都是由最基本的功能結(jié)構(gòu)單位——細(xì)胞組成的。細(xì)胞由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞器以及細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)成分構(gòu)成。而這些結(jié)構(gòu)成分又由分子構(gòu)成，例如，細(xì)胞核由DNA（分子）和蛋白質(zhì)等構(gòu)成。分子是化學(xué)過程和生命過程的最小單元。生命科學(xué)是一門涉及范圍很廣的科學(xué)，從宏觀的個(gè)體到微觀的組織（細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等）都是其研究對(duì)象，從而揭示相應(yīng)的生命過程。從尺度上來說，手指尖上的一小塊皮膚的面積約為200 mm2，細(xì)胞的直徑約為20 μm，而DNA和RNA的直徑為納米級(jí)的。而光學(xué)研究的對(duì)象是微米級(jí)的，所以只有精密的技術(shù)工具才可以用于生命科學(xué)的研究。

光的范圍很廣，有波長小于400 nm的X射線和紫外線，波長從400 nm到750 nm的可見光，還有波長大于750 nm的近紅外光、中紅外光和遠(yuǎn)紅外光。光學(xué)的研究范圍一般為可見光和近紅外波段。光學(xué)理論發(fā)展也經(jīng)過了一個(gè)很長的過程，例如牛頓發(fā)現(xiàn)了光譜、惠更斯的理論、普朗克的輻射量子論等。光是一種電磁波，在物理學(xué)中，電磁波由電動(dòng)力學(xué)中的麥克斯韋方程組來描述；同時(shí)，光具有波粒二象性，光的粒子性則需要用量子力學(xué)來描述。

細(xì)胞及分子的研究是很細(xì)微的，需要光學(xué)顯微鏡作為研究手段。光學(xué)顯微鏡作為一種光學(xué)工具用于生物學(xué)的研究，也是光學(xué)領(lǐng)域很重要的一個(gè)發(fā)展方向。光學(xué)的發(fā)展很好地推動(dòng)了現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展。

1665年英國發(fā)明家胡克（R. Hooke）設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)顯微鏡，如圖1.1（a）所示，他采用凹面鏡聚集燭光來照明樣本，再通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行觀察。胡克用它觀察了樹皮的軟木薄片，并將觀察到的植物細(xì)胞（如圖1.1（b）所示）命名為Cellua，這是歷史上第一次成功觀察到細(xì)胞。這也是將光學(xué)和生物學(xué)聯(lián)系在一起的重要一步。自顯微鏡被發(fā)明以來，光學(xué)技術(shù)就為生物學(xué)打開了微觀世界的大門，成為生命科學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)。因?yàn)槠胀@微鏡有衍射極限，分辨率低，于是在20世紀(jì)初出現(xiàn)了熒光顯微技術(shù)，使分子水平的直接觀測成為可能。熒光顯微鏡（Fluorescence Microscope）用紫外線作為光源照射物體，使物體受激發(fā)出熒光，通過在顯微鏡下觀察熒光的變化來研究細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的吸收、運(yùn)輸、化學(xué)物質(zhì)的分布和定位等。熒光顯微鏡的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得生命科學(xué)從原始松散的博物學(xué)、分類學(xué)和經(jīng)驗(yàn)性科學(xué)狀態(tài)，發(fā)展成為一門系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)、縝密的現(xiàn)代化科學(xué)。

從1911年德國的Oskar Heimst?dt提出熒光顯微成像技術(shù)，到20世紀(jì)60年代共聚焦掃描顯微鏡的出現(xiàn)，光學(xué)技術(shù)一步步有力地促進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展，也一步步與生命科學(xué)結(jié)合得愈發(fā)緊密。共聚焦顯微鏡與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的不同，是在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將已經(jīng)通過透鏡的反射光折向其他方向，在其焦點(diǎn)上有一個(gè)帶有針孔的擋板，小孔就位于焦點(diǎn)處，擋板后面是一個(gè)光電倍增管，如圖1.2所示。可以想象，探測光焦點(diǎn)前后的反射光通過這一套共焦系統(tǒng)，必不能聚焦到小孔上，會(huì)被擋板擋住，于是光度計(jì)測量的就是焦點(diǎn)處的反射光強(qiáng)度[1]。照明針孔與探測針孔相對(duì)于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點(diǎn)同時(shí)聚焦于照明針孔和發(fā)射針孔，焦平面以外的點(diǎn)不會(huì)在探測針孔處成像，這樣得到的共聚焦圖像是標(biāo)本的光學(xué)橫斷面，克服了傳統(tǒng)顯微鏡圖像模糊的缺點(diǎn)。直接觀測、定量化和特異性靶向成像，使得生命科學(xué)的研究從經(jīng)驗(yàn)科學(xué)向?qū)嵶C科學(xué)迅速轉(zhuǎn)化。

由于觀測是生命科學(xué)里最根本的需求，觀測能力從某種意義上決定了生命科學(xué)的研究水平，因此光學(xué)必然會(huì)一步步與生命科學(xué)交叉結(jié)合。在經(jīng)典光學(xué)研究基礎(chǔ)之上，誕生于20世紀(jì)60年代的激光技術(shù)，使生命科學(xué)獲得了全新的進(jìn)展，特別是把共聚焦激光掃描顯微成像技術(shù)推向了巔峰，讓“所見即所得”成為生命科學(xué)研究中無法缺失的一環(huán)，其優(yōu)美的顯微圖片（如圖1.3所示）深刻地詮釋了“科學(xué)即是美”（Science is beauty）的基本法則。

在激光技術(shù)大發(fā)展的20世紀(jì)60—80年代，由于冷戰(zhàn)的特殊時(shí)代背景，激光的定向發(fā)光和能量密度高等特性使其始終被賦予了軍事用途的重任。因此，當(dāng)時(shí)的美、蘇兩國投入了大量人力、物力研究激光與生物個(gè)體的相互作用，以期獲得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類形成軟殺傷的軍事武器。例如：1978年3月，世界上第一支激光槍在美國誕生，隨后蘇聯(lián)研制了“反衛(wèi)星”陸基激光武器；在1982年的英阿馬島戰(zhàn)爭中，英國在航空母艦和各類護(hù)衛(wèi)艦上就安裝了激光致盲武器。激光武器研究的方向主要有兩個(gè)：一是將激光與各種高能射線結(jié)合，開發(fā)所謂的“死光”，可以瞬間導(dǎo)致目標(biāo)人類死亡或產(chǎn)生嚴(yán)重的殺傷效果；二是研究激光是否有可能取代放射線，對(duì)人類進(jìn)行軟殺傷的同時(shí)而不引入放射污染。在今天看來，這些研究方向毫無疑問是非常原始、粗陋且毫無意義的，但也說明了激光技術(shù)在生命科學(xué)中應(yīng)用的核心特點(diǎn)：可以精確、潔凈地將光子能量投遞到生物樣本中。

事實(shí)上這種軍事上的思想對(duì)于科學(xué)界的影響是非常大的。出于激光是一種高能定向精密武器的思維定式，科學(xué)家們首先想到的是用激光來替代手術(shù)刀以切削各種生物樣本。于是，在20世紀(jì)80年代，美國醫(yī)生Stephen Trokel首先發(fā)現(xiàn)Nd：YAG激光可以精密切削眼球的角膜組織，而切削效果可能矯正近視。1985年，對(duì)后世影響深遠(yuǎn)的第一代激光近視矯正手術(shù)技術(shù)誕生了，即屈光性角膜切削術(shù)（Photorefractive Keratectomy，PRK），德國的Theo Seiler醫(yī)生使用深紫外準(zhǔn)分子激光實(shí)現(xiàn)了對(duì)角膜外表面的直接切削，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)近視的有效矯正。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)90年代，Pallikaris、Buratto及Camellin醫(yī)生分別提出了更加安全有效的激光角膜原位磨鑲術(shù)（Laser in Situ Keratomileusis，LASIK）和激光角膜上皮瓣下磨鑲術(shù)（Laser Epithelial Keratomileusis，LASEK），這成為目前主流的屈光不正矯正手術(shù)。由此可見，激光技術(shù)作為一種醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的工具，其發(fā)展也大大促進(jìn)了相關(guān)激光醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

由于激光誕生于物理領(lǐng)域，因此激光在與生命科學(xué)相互交叉發(fā)展的過程中，經(jīng)常帶著濃厚的物理色彩，即在技術(shù)上追求極限，而并沒有直接面向解決明確的生命科學(xué)問題。例如著名科學(xué)家朱棣文（Steven Chu）和他的同事Arthur Ashkin在研究冷原子時(shí)，提出通過光子動(dòng)量的改變來束縛一個(gè)原子以獲取絕對(duì)零度的冷原子的光鑷（Optical Tweezer）思想（光鑷原理圖如圖1.4所示）。這個(gè)思想迅速應(yīng)用在生命科學(xué)中，通過激光束縛一個(gè)細(xì)胞，像鑷子一樣捕獲一個(gè)細(xì)胞的自由移動(dòng)。圖1.5所示為利用光鑷控制26個(gè)直徑為0.99 μm的二氧化硅（SiO2）分子的位置。這個(gè)技術(shù)在物理法則的指導(dǎo)下迅速發(fā)展到極致，從簡單的樣本捕獲或束縛，發(fā)展為一種極端精密的測量方法，可以獲取大量生物樣本的精密物理參數(shù)，包括力學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。盡管光鑷技術(shù)并沒有直接解決生命科學(xué)的問題，但是為生命科學(xué)的研究開啟了激光這扇全新的窗戶：激光將帶來一系列新技術(shù)、新方法，為生命科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)、新理論提供了可能。在隨后眾多的光鑷技術(shù)發(fā)展中，以S. M. Block為代表的科學(xué)家利用光鑷測定了包括腫瘤細(xì)胞、DNA分子在內(nèi)的眾多生物樣本的極限物理特性，特別是楊氏模量等機(jī)械性質(zhì)。雖然這些未知的發(fā)現(xiàn)依然沒有為人類帶來直接的實(shí)際應(yīng)用，但這也正是物理學(xué)這樣的基礎(chǔ)科學(xué)的特點(diǎn)和本質(zhì)——探索未知。

在現(xiàn)代科學(xué)體系中，類似于光鑷這樣的基礎(chǔ)科研對(duì)于技術(shù)的促進(jìn)是間接的、緩慢的，然而生命科學(xué)與光學(xué)的交叉卻是迅速的、深刻的。這主要是因?yàn)樯茖W(xué)對(duì)于顯微成像的巨大需求和光學(xué)顯微成像技術(shù)對(duì)生命科學(xué)研究的快速促進(jìn)。在激光共聚焦掃描顯微技術(shù)誕生之后，生物學(xué)家們一度認(rèn)為（直到現(xiàn)在，依然有大量的細(xì)胞生物學(xué)家認(rèn)為）這已經(jīng)是一種完美的、對(duì)生命科學(xué)研究完全足夠的顯微成像技術(shù)了，甚至直到2010年，激光共聚焦掃描顯微鏡依然是世界絕大多數(shù)生命科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中最高級(jí)、最先進(jìn)的成像設(shè)備。但在此之前，隨著生命科學(xué)研究的深入，大量的課題都出現(xiàn)了對(duì)體組織顯微成像和單分子顯微成像的需求。激光共聚焦掃描顯微鏡是在熒光顯微鏡成像基礎(chǔ)上加裝了激光掃描裝置，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，把光學(xué)成像的分辨率提高了30%~40%，使用紫外線或可見光激發(fā)熒光探針，從而得到細(xì)胞或組織內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的熒光圖像。光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步很快讓科學(xué)家們研究出了相應(yīng)的成像技術(shù)。例如，誕生于1990年的雙光子顯微成像技術(shù)，其原理是熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長波長的光子，在經(jīng)過一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后，發(fā)射出一個(gè)波長較短的光子。雙光子顯微鏡系統(tǒng)如圖1.6所示。

光學(xué)顯微鏡的分辨率被認(rèn)為是有極限的，它不可能超過光波長的二分之一，1994—2006年逐漸發(fā)展的超分辨熒光顯微成像技術(shù)從原理上打破了原有的光學(xué)遠(yuǎn)場衍射極限對(duì)光學(xué)系統(tǒng)極限分辨率的限制，在熒光分子幫助下很容易超過光學(xué)分辨率的極限，達(dá)到納米級(jí)分辨率，如圖1.7所示。經(jīng)歷十幾年技術(shù)上的優(yōu)化，超分辨熒光顯微成像在2010年之后迅速普及，并取得了一系列重大成果。

激光在微觀尺度上為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)帶來了一系列巨大的技術(shù)進(jìn)展，特別是在亞微米到10納米量級(jí)尺度的單細(xì)胞、亞細(xì)胞水平的研究中展現(xiàn)了無可比擬的優(yōu)勢。然而，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)除對(duì)高分辨率的要求之外，往往還需要高通量檢測。針對(duì)這個(gè)需求，流式細(xì)胞儀應(yīng)運(yùn)而生。從光學(xué)角度來看，流式細(xì)胞儀本質(zhì)上依然屬于顯微鏡系統(tǒng)，其核心的改進(jìn)在于進(jìn)樣方式，通過高速液流系統(tǒng)形成一個(gè)高速單細(xì)胞流，在細(xì)胞經(jīng)過顯微物鏡時(shí)，并不記錄圖像信息，而僅僅抓捕熒光強(qiáng)度信息以及散射光信號(hào)特征，以分析大量細(xì)胞的結(jié)構(gòu)信息和某些特定分子的信息。如圖1.8所示，應(yīng)用體內(nèi)流式細(xì)胞儀和體內(nèi)流式細(xì)胞術(shù)檢測循環(huán)腫瘤細(xì)胞，將激光聚焦到小鼠耳朵的毛細(xì)血管上來激活腫瘤細(xì)胞內(nèi)的GFP。在血管中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞流過由物鏡聚焦的垂直方向的激光時(shí)，細(xì)胞中的熒光蛋白就會(huì)因被激發(fā)而產(chǎn)生熒光信號(hào)。在一個(gè)檢測時(shí)間段內(nèi)，這些熒光信號(hào)會(huì)在時(shí)間序列上形成一系列的信號(hào)峰。這些信號(hào)峰意味著血管中流過了一系列循環(huán)腫瘤細(xì)胞或其團(tuán)塊。

進(jìn)一步地，使用多功能微球取代細(xì)胞，通過微球表面的分子耦聯(lián)和熒光檢測，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高通量的分子檢測，這就是目前最先進(jìn)的“液相懸浮芯片”分子檢測技術(shù)。液相懸浮芯片的系統(tǒng)組成如圖1.9所示，該系統(tǒng)主要由四部分組成：微流控芯片、熒光激發(fā)和檢測、弱電信號(hào)放大與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、自動(dòng)控制電路。光學(xué)可視化流式細(xì)胞技術(shù)和液相懸浮芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域已經(jīng)得到了極其廣泛的應(yīng)用，而且在價(jià)格、精度、多指標(biāo)檢測上具有非常巨大的潛力和前景。

簡而言之，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)提供了大量的全新技術(shù)。一方面，這些技術(shù)為相關(guān)研究帶來了新方法、新發(fā)現(xiàn)、新理論；另一方面，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)也不斷地向光學(xué)提出新需求、新方向，例如突破衍射極限的遠(yuǎn)場光學(xué)成像技術(shù)，就是在生命科學(xué)的重大需求之下，通過結(jié)合照明光或熒光分子的物理特性產(chǎn)生的。光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的結(jié)合在共同的交叉發(fā)展中一步步深入。在20世紀(jì)末，科學(xué)家們逐步開辟了生物光子學(xué)（Biophotonics）這個(gè)交叉領(lǐng)域，一個(gè)獨(dú)立于光學(xué)和生物學(xué)的新型學(xué)科。2014年，生物光子學(xué)中的重要進(jìn)展——Eric Betzig、Stefan W. Hell、William E.Moerner因發(fā)明了超分辨顯微成像技術(shù)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（如圖1.10所示），標(biāo)志著生物光子學(xué)已經(jīng)成為一門成熟的前沿學(xué)科。