1.1　生命科学与光学的交叉与相互促进

任何生物（包括人类）的个体都是一个复杂的系统，均由复杂的器官和系统组成。而器官和系统都是由最基本的功能结构单位——细胞组成的。细胞由细胞膜、细胞质、细胞器以及细胞核等结构成分构成。而这些结构成分又由分子构成，例如，细胞核由DNA（分子）和蛋白质等构成。分子是化学过程和生命过程的最小单元。生命科学是一门涉及范围很广的科学，从宏观的个体到微观的组织（细胞、蛋白质、DNA、RNA等）都是其研究对象，从而揭示相应的生命过程。从尺度上来说，手指尖上的一小块皮肤的面积约为200 mm2，细胞的直径约为20 μm，而DNA和RNA的直径为纳米级的。而光学研究的对象是微米级的，所以只有精密的技术工具才可以用于生命科学的研究。

光的范围很广，有波长小于400 nm的X射线和紫外线，波长从400 nm到750 nm的可见光，还有波长大于750 nm的近红外光、中红外光和远红外光。光学的研究范围一般为可见光和近红外波段。光学理论发展也经过了一个很长的过程，例如牛顿发现了光谱、惠更斯的理论、普朗克的辐射量子论等。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组来描述；同时，光具有波粒二象性，光的粒子性则需要用量子力学来描述。

细胞及分子的研究是很细微的，需要光学显微镜作为研究手段。光学显微镜作为一种光学工具用于生物学的研究，也是光学领域很重要的一个发展方向。光学的发展很好地推动了现代生物学的发展。

1665年英国发明家胡克（R. Hooke）设计出了第一台显微镜，如图1.1（a）所示，他采用凹面镜聚集烛光来照明样本，再通过望远镜系统进行观察。胡克用它观察了树皮的软木薄片，并将观察到的植物细胞（如图1.1（b）所示）命名为Cellua，这是历史上第一次成功观察到细胞。这也是将光学和生物学联系在一起的重要一步。自显微镜被发明以来，光学技术就为生物学打开了微观世界的大门，成为生命科学的基础技术。因为普通显微镜有衍射极限，分辨率低，于是在20世纪初出现了荧光显微技术，使分子水平的直接观测成为可能。荧光显微镜（Fluorescence Microscope）用紫外线作为光源照射物体，使物体受激发出荧光，通过在显微镜下观察荧光的变化来研究细胞内物质的吸收、运输、化学物质的分布和定位等。荧光显微镜的出现和应用，使得生命科学从原始松散的博物学、分类学和经验性科学状态，发展成为一门系统、严谨、缜密的现代化科学。

从1911年德国的Oskar Heimstädt提出荧光显微成像技术，到20世纪60年代共聚焦扫描显微镜的出现，光学技术一步步有力地促进了生命科学的发展，也一步步与生命科学结合得愈发紧密。共聚焦显微镜与传统光学显微镜的不同，是在反射光的光路上加上了一块半反半透镜，将已经通过透镜的反射光折向其他方向，在其焦点上有一个带有针孔的挡板，小孔就位于焦点处，挡板后面是一个光电倍增管，如图1.2所示。可以想象，探测光焦点前后的反射光通过这一套共焦系统，必不能聚焦到小孔上，会被挡板挡住，于是光度计测量的就是焦点处的反射光强度[1]。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔，焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像是标本的光学横断面，克服了传统显微镜图像模糊的缺点。直接观测、定量化和特异性靶向成像，使得生命科学的研究从经验科学向实证科学迅速转化。

由于观测是生命科学里最根本的需求，观测能力从某种意义上决定了生命科学的研究水平，因此光学必然会一步步与生命科学交叉结合。在经典光学研究基础之上，诞生于20世纪60年代的激光技术，使生命科学获得了全新的进展，特别是把共聚焦激光扫描显微成像技术推向了巅峰，让“所见即所得”成为生命科学研究中无法缺失的一环，其优美的显微图片（如图1.3所示）深刻地诠释了“科学即是美”（Science is beauty）的基本法则。

在激光技术大发展的20世纪60—80年代，由于冷战的特殊时代背景，激光的定向发光和能量密度高等特性使其始终被赋予了军事用途的重任。因此，当时的美、苏两国投入了大量人力、物力研究激光与生物个体的相互作用，以期获得可以实现对人类形成软杀伤的军事武器。例如：1978年3月，世界上第一支激光枪在美国诞生，随后苏联研制了“反卫星”陆基激光武器；在1982年的英阿马岛战争中，英国在航空母舰和各类护卫舰上就安装了激光致盲武器。激光武器研究的方向主要有两个：一是将激光与各种高能射线结合，开发所谓的“死光”，可以瞬间导致目标人类死亡或产生严重的杀伤效果；二是研究激光是否有可能取代放射线，对人类进行软杀伤的同时而不引入放射污染。在今天看来，这些研究方向毫无疑问是非常原始、粗陋且毫无意义的，但也说明了激光技术在生命科学中应用的核心特点：可以精确、洁净地将光子能量投递到生物样本中。

事实上这种军事上的思想对于科学界的影响是非常大的。出于激光是一种高能定向精密武器的思维定式，科学家们首先想到的是用激光来替代手术刀以切削各种生物样本。于是，在20世纪80年代，美国医生Stephen Trokel首先发现Nd：YAG激光可以精密切削眼球的角膜组织，而切削效果可能矫正近视。1985年，对后世影响深远的第一代激光近视矫正手术技术诞生了，即屈光性角膜切削术（Photorefractive Keratectomy，PRK），德国的Theo Seiler医生使用深紫外准分子激光实现了对角膜外表面的直接切削，首次实现了对近视的有效矫正。在此基础上，20世纪90年代，Pallikaris、Buratto及Camellin医生分别提出了更加安全有效的激光角膜原位磨镶术（Laser in Situ Keratomileusis，LASIK）和激光角膜上皮瓣下磨镶术（Laser Epithelial Keratomileusis，LASEK），这成为目前主流的屈光不正矫正手术。由此可见，激光技术作为一种医学领域的工具，其发展也大大促进了相关激光医学领域的发展。

由于激光诞生于物理领域，因此激光在与生命科学相互交叉发展的过程中，经常带着浓厚的物理色彩，即在技术上追求极限，而并没有直接面向解决明确的生命科学问题。例如著名科学家朱棣文（Steven Chu）和他的同事Arthur Ashkin在研究冷原子时，提出通过光子动量的改变来束缚一个原子以获取绝对零度的冷原子的光镊（Optical Tweezer）思想（光镊原理图如图1.4所示）。这个思想迅速应用在生命科学中，通过激光束缚一个细胞，像镊子一样捕获一个细胞的自由移动。图1.5所示为利用光镊控制26个直径为0.99 μm的二氧化硅（SiO2）分子的位置。这个技术在物理法则的指导下迅速发展到极致，从简单的样本捕获或束缚，发展为一种极端精密的测量方法，可以获取大量生物样本的精密物理参数，包括力学性质和机械性质。尽管光镊技术并没有直接解决生命科学的问题，但是为生命科学的研究开启了激光这扇全新的窗户：激光将带来一系列新技术、新方法，为生命科学的新发现、新理论提供了可能。在随后众多的光镊技术发展中，以S. M. Block为代表的科学家利用光镊测定了包括肿瘤细胞、DNA分子在内的众多生物样本的极限物理特性，特别是杨氏模量等机械性质。虽然这些未知的发现依然没有为人类带来直接的实际应用，但这也正是物理学这样的基础科学的特点和本质——探索未知。

在现代科学体系中，类似于光镊这样的基础科研对于技术的促进是间接的、缓慢的，然而生命科学与光学的交叉却是迅速的、深刻的。这主要是因为生命科学对于显微成像的巨大需求和光学显微成像技术对生命科学研究的快速促进。在激光共聚焦扫描显微技术诞生之后，生物学家们一度认为（直到现在，依然有大量的细胞生物学家认为）这已经是一种完美的、对生命科学研究完全足够的显微成像技术了，甚至直到2010年，激光共聚焦扫描显微镜依然是世界绝大多数生命科学研究机构中最高级、最先进的成像设备。但在此之前，随着生命科学研究的深入，大量的课题都出现了对体组织显微成像和单分子显微成像的需求。激光共聚焦扫描显微镜是在荧光显微镜成像基础上加装了激光扫描装置，利用计算机进行图像处理，把光学成像的分辨率提高了30%~40%，使用紫外线或可见光激发荧光探针，从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像。光学技术的进步很快让科学家们研究出了相应的成像技术。例如，诞生于1990年的双光子显微成像技术，其原理是荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子。双光子显微镜系统如图1.6所示。

光学显微镜的分辨率被认为是有极限的，它不可能超过光波长的二分之一，1994—2006年逐渐发展的超分辨荧光显微成像技术从原理上打破了原有的光学远场衍射极限对光学系统极限分辨率的限制，在荧光分子帮助下很容易超过光学分辨率的极限，达到纳米级分辨率，如图1.7所示。经历十几年技术上的优化，超分辨荧光显微成像在2010年之后迅速普及，并取得了一系列重大成果。

激光在微观尺度上为生命科学和医学带来了一系列巨大的技术进展，特别是在亚微米到10纳米量级尺度的单细胞、亚细胞水平的研究中展现了无可比拟的优势。然而，生命科学和医学除对高分辨率的要求之外，往往还需要高通量检测。针对这个需求，流式细胞仪应运而生。从光学角度来看，流式细胞仪本质上依然属于显微镜系统，其核心的改进在于进样方式，通过高速液流系统形成一个高速单细胞流，在细胞经过显微物镜时，并不记录图像信息，而仅仅抓捕荧光强度信息以及散射光信号特征，以分析大量细胞的结构信息和某些特定分子的信息。如图1.8所示，应用体内流式细胞仪和体内流式细胞术检测循环肿瘤细胞，将激光聚焦到小鼠耳朵的毛细血管上来激活肿瘤细胞内的GFP。在血管中的循环肿瘤细胞流过由物镜聚焦的垂直方向的激光时，细胞中的荧光蛋白就会因被激发而产生荧光信号。在一个检测时间段内，这些荧光信号会在时间序列上形成一系列的信号峰。这些信号峰意味着血管中流过了一系列循环肿瘤细胞或其团块。

进一步地，使用多功能微球取代细胞，通过微球表面的分子耦联和荧光检测，可以实现高精度、高通量的分子检测，这就是目前最先进的“液相悬浮芯片”分子检测技术。液相悬浮芯片的系统组成如图1.9所示，该系统主要由四部分组成：微流控芯片、荧光激发和检测、弱电信号放大与数据分析系统、自动控制电路。光学可视化流式细胞技术和液相悬浮芯片技术在医学检测领域已经得到了极其广泛的应用，而且在价格、精度、多指标检测上具有非常巨大的潜力和前景。

简而言之，随着激光技术的发展，激光为生命科学和医学提供了大量的全新技术。一方面，这些技术为相关研究带来了新方法、新发现、新理论；另一方面，生命科学和医学也不断地向光学提出新需求、新方向，例如突破衍射极限的远场光学成像技术，就是在生命科学的重大需求之下，通过结合照明光或荧光分子的物理特性产生的。光学和生物医学的结合在共同的交叉发展中一步步深入。在20世纪末，科学家们逐步开辟了生物光子学（Biophotonics）这个交叉领域，一个独立于光学和生物学的新型学科。2014年，生物光子学中的重要进展——Eric Betzig、Stefan W. Hell、William E.Moerner因发明了超分辨显微成像技术而获得诺贝尔化学奖（如图1.10所示），标志着生物光子学已经成为一门成熟的前沿学科。