【上海教育新闻网】分子、细胞的检测与健康医学

编者按：

“学通四海、术育英才。” 2018年5月4日，华东理工大学“通海讲堂”在奉贤校区图文信息中心通海厅正式启动。作为学校倾心打造的高端学术讲座平台，“通海讲堂”将邀请两院院士、*、国家“杰青”获得者及知名教授等学术大咖，面向本科生讲述前沿性学术问题，进一步提升华理校园学术文化的“高度”和“宽度”，助力一流人才培养。为了让更多的读者感受大咖的魅力、汲取知识的力量，即日起，本网将推出“通海讲堂”系列文章，第一时间传递讲堂信息，分享讲座内容。

【华东理工大学“通海讲堂”第二十二讲】

12月28日下午，华东理工大学理学院窦晓鸣教授应邀走进第22期通海讲堂，在奉贤校区通海厅为学子们带来精彩讲座“分子、细胞的检测与健康医学”。讲座中，窦晓鸣教授主要介绍了在分子水平开展研究的意义，利用光的现象和光学进行分子检测有什么独到的特点，如何从看似寻常的光现象发展出分子检测的新方法、新理论，及其在细胞与医学领域的应用。

分子、细胞的检测与健康医学

窦晓鸣，理学博士，华东理工大学特聘教授、理学院光子学与生物医学研究中心主任，曾获“*”（1999年）等奖励计划的资助。兼任上海交通大学理学院特聘教授、大阪大学工学部特任教授。

主要从事光子探测、分子与细胞的检测和诊断。在物理学、分析化学和生物医学等领域，以第一作者发表学术论文约60多篇，公开与注册国际发明专利约180多项，国内专利约70多项，与国外著名学者共同编著与出版学术书籍4册。在国内培养博士研究生约40多名，指导博士后工作约17名。

在分子水平开展生物与医学研究

传统的生物学观测和医学诊断，很大部分依赖于宏观或显微水平的形态、结构与过程的观察。基于“分子是保留物质属性的最小单位”这一概念，从传统生物学和医学中发展出分子生物学和分子医学的分支，可算是人们“透过现象看本质”这一动机的天然结果。而遗传学更是从发展伊始就与遗传分子相联系。从分子水平获取信息，甚而主动地对分子进行操控与修改，也是医疗“精准化”“个性化”的实现途径。

为了在分子水平“抓住”分子，获取分子的信息，对探测分析技术提出了新的要求。光学在其中发挥着自身的作用。

古老而有活力的光学研究

光学是物理学中一个重要的分支。人类从外部环境获取的信息大部分都以光的形式得到，很自然的，与光有关的现象也很早就被人注意。两千多年前，《墨经》记载的“小孔成像”属于几何光学范畴。人们在雨后天晴时看到的彩虹，以及牛顿用三棱镜“无中生有”般从白色太阳光中变出了色彩，是波动光学的一个侧面。爱因斯坦为了解释光电效应而提出的“光量子”概念，则成了量子物理的开端之一。光在不同的研究和应用领域，依据不同的需要以不同的形式表现，在几何光学中被看作“光线”，在波动光学中成为电磁场的传播，在量子光学中是“粒子”。这样从不同的角度和层面对光的现象进行解读，使光学渗透到各个学科领域中，也使光在相关学术研究和应用研究中成为灵活多变的角色。

当光与物质分子相遇时，同样呈现出“丰富多彩”的表现。光在物质界面反射，通过物质透射，留在物质中的部分被吸收，从物质散射（依据物质大小以及能量交换的不同过程又有不同的分类和散射现象），也会从物质发射（同样有不同的发射机制与现象）。吸收多少，吸收了哪一波段的能量，散射的强弱，散射光的色彩（光谱）是否发生变化，什么条件下会发射，发射出怎样的光，这些都和光与分子的相互作用密切相关，就仿佛光照射到物质分子上，就“带有”了物质分子的信息。光有多方位的特性，能够提取的物质分子的信息也是多方位的。并且是以宏观的操控和检测技术获得微观（分子）水平的信息。更进一步的，除了波长的维度，将光学现象沿着时间轴展开，形成对光与分子相互作用的动力学研究。将光强度推向极端情况，开拓出非线性光学的领域。这个过程充满了挑战，也促成了新技术的发展。

而在生物和医学领域，除了从分子水平提取信息的能力，以光作为工具往往还与“非接触”（无机械接触）、“无损”（无机械损伤）和“无创”的概念相联系。通过光获取信息的“即时性”，结合计算机科学得到的快速分析能力，乃至“实时”观测能力，这都使得光在生物医学领域有独特的价值。

向前多走一步的研究

光的现象在不同的历史阶段，随着人们认识的变化发展，从不同的角度和层面，将看似早已发现和研究的现象又作出更新和递进。有时候，这样向前多走一步，可能开拓出一个新的课题乃至研究方向。举几个例子。

CT，即电子计算机断层扫描，在临床上多指X射线CT（虽然算法原理上并无此限制），是现代医学影像学应用的重要诊断设备。但是，X-CT所采用的X线光子能量较高，可能引起人体大分子的损伤，故在照射剂量、检测频次、适用人群等方面都需严格控制。于是，有研究人员提出是否可用光子能量较小的长波光线代替，例如红外线（IR），发展IR-CT。使用红外线，不仅减少或消除光子能量带来的损伤，而且红外波段与分子的振转光谱有着密切联系。不仅可如同传统CT那样从总吸收的空间分布进行影像学诊断，还可能扩展波长的维度，发展出类似高光谱成像的新型检测诊断方法。这个设想受限于目前在红外光源和红外检测器方面的技术水平，尚未能得到实现。但若有所突破，则挑战将会成为机遇，或可为CT技术带来革命性的影响。

太阳光照射到人们身上，会感受到温暖，却无人会感到压力。但如果把收到光照的对象推向到更极端的情况，会发生什么？向大尺寸推进，产生了利用光压动力的太阳帆船计划。向小尺度推进，产生了光镊技术。利用聚焦激光束操控、引导纳米、微米级的粒子。特别是对处于这一尺度范围的生物细胞、细胞器、生物大分子的操控与测量，为生命科学的研究提供了一个全新的手段。光镊技术也在今年（2018年）获得了诺贝尔物理学奖。

全反射是中学物理中即涉及的光学现象，那么在“镜面的背后”有什么？对这个问题向前一步的探索，引导出一整个基于光学近场的理论体系与检测技术。界面处由倏逝波构成光学近场，若把分子放置到这个场中会发生什么？若近场中不是单个界面，而是多层介质、多个界面，发生什么？基于不同分子在近场中的影响，发展传感技术。在界面上吸附抗体，结合抗体抗原反应发展新的免疫学检测技术。结合光纤，结合显微镜与二维扫描，发展近场显微成像技术。

金寒草 整理报道