馬輝：多個(gè)角度看世界

王輝

近年來(lái)，3D電影越來(lái)越受到人們的追捧。走進(jìn)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(shí)，3D電影只是偏振應(yīng)用的冰山一角。很少有人意識(shí)到，我們周邊實(shí)際上是一個(gè)偏振光的世界。通過(guò)對(duì)偏振光性質(zhì)的測(cè)量，我們可以檢測(cè)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(duì)海洋中的微生物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)與細(xì)致分類……而這些都是清華大學(xué)深圳研究生院教授馬輝正在研究的內(nèi)容。

光學(xué)方法是使用時(shí)間最長(zhǎng)、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(cè)手段。“照圣經(jīng)的說(shuō)法，上帝創(chuàng)造世界做的第一件事就是創(chuàng)造光?！瘪R輝告訴記者，人類最早就是通過(guò)眼睛和光認(rèn)識(shí)周邊世界，隨后用望遠(yuǎn)鏡認(rèn)識(shí)星空宇宙，用顯微鏡認(rèn)識(shí)微觀世界，光學(xué)測(cè)量方法的發(fā)展伴隨著自然科學(xué)發(fā)展的整個(gè)歷程。

如今，光學(xué)仍然是一個(gè)非常具有活力的科學(xué)領(lǐng)域，并不斷獲得諾貝爾獎(jiǎng)。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(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在這短短幾年中，光學(xué)成像方法全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)：GFP對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)分子特異性對(duì)比度增強(qiáng)，LED是新型光源，光纖代表一種新型光路器件，CCD是新型探測(cè)器，而超分辨成像則是新的光學(xué)成像機(jī)理?！笨梢钥闯?，古老的光學(xué)觀測(cè)方法正不斷煥發(fā)出新的生命力！2013年，聯(lián)合國(guó)確定2015年為“光之年”。

偏振是光的一個(gè)屬性，但很不幸，人類以及絕大多數(shù)動(dòng)物的眼睛對(duì)光的偏振并不敏感。因此，盡管偏振這個(gè)詞大家都耳熟能詳，但偏振方法的潛力一直沒(méi)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(kāi)始，馬輝將偏振光散射這個(gè)看起來(lái)并不時(shí)髦的領(lǐng)域作為自己的研究方向。

十幾年來(lái)，人們?cè)谠絹?lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始意識(shí)到偏振測(cè)量的潛力，馬輝滿懷自信地說(shuō)：“偏振可以大大增加光學(xué)方法獲取信息的能力，它將是光學(xué)發(fā)展的新方向，在信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，偏振方法前景無(wú)限！”。

實(shí)現(xiàn)癌癥早期檢測(cè)

馬輝告訴記者，光學(xué)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(dá)到亞細(xì)胞層次，還可用于從活細(xì)胞到組織、器官和個(gè)體等不同層次的生物樣品?！暗锝M織是不透明的，因?yàn)樗猩⑸?，?dāng)激光照射進(jìn)人體，光能透進(jìn)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(xué)方法用于生物組織最大的問(wèn)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(duì)測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)，提高生物組織淺表層測(cè)量的分辨率。”

馬輝最開(kāi)始研究偏振方法的一個(gè)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(cè)量的另一個(gè)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(lái)新的信息。通過(guò)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(shí)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(cè)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(cè)量癌變組織。“全偏振成像叫穆勒矩陣成像，我們從醫(yī)院找來(lái)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(xì)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(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目，他將利用這幾年的最新基礎(chǔ)研究成果和技術(shù)進(jìn)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(shí)，他還將建立實(shí)驗(yàn)室研究平臺(tái)，針對(duì)各個(gè)模塊開(kāi)展原理和方法學(xué)探索和工程開(kāi)發(fā)，研究信息提取方法和大數(shù)據(jù)分析方法，不斷改進(jìn)儀器，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化。

“2014年，超分辨成像的其中一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者赫爾，首先在激光成像中實(shí)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(jī)靈，他讓萊卡公司把他的方法做成了儀器，給生物學(xué)家用。盡管這個(gè)儀器現(xiàn)在仍然要賣(mài)一千萬(wàn)人民幣，并且仍然不那么好用，但由于生物學(xué)家展示了他的巨大應(yīng)用價(jià)值，白茲格利用貝爾納的工作成果實(shí)現(xiàn)了另一種更好用、更便宜的光學(xué)超分辨成像方法，最后三個(gè)人一起得獎(jiǎng)?！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(gè)儀器項(xiàng)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(xué)家和醫(yī)生提供新的工具，提出新的需求，帶動(dòng)偏振方法的研究。”

作為探索者，馬輝一路走來(lái)碰壁不少，他說(shuō)：“走很多彎路之后最后發(fā)現(xiàn)碰對(duì)了，也是一種享受。我覺(jué)得做科研就要經(jīng)歷這些過(guò)程！我會(huì)沿著這條路繼續(xù)往下走，把偏振的潛力不斷挖掘出來(lái)?！?/p>

偏振開(kāi)啟一扇門(mén)

馬輝做偏振成像和應(yīng)用是半路出家，他1988年在英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，1989年回國(guó)，后來(lái)加入清華物理系工作，有十幾年時(shí)間他一直從事原子分子光譜基礎(chǔ)研究。1995年對(duì)馬輝來(lái)說(shuō)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這一年，他在美國(guó)麻省理工學(xué)院訪問(wèn)，與世界頂級(jí)科學(xué)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(shí)驗(yàn)室。“我在麻省理工學(xué)院了解到利用拉曼光譜發(fā)現(xiàn)癌變和利用光學(xué)相干斷層成像測(cè)眼底的工作，在麻省綜合醫(yī)院參觀了交叉學(xué)科的威爾曼實(shí)驗(yàn)室，在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xué)科前沿研究讓基礎(chǔ)研究出身的馬輝思索起來(lái)，“那一年我確實(shí)開(kāi)始有些想法，覺(jué)得自己還是喜歡做偏應(yīng)用一些的研究”。

回國(guó)后馬輝逐步把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向生物物理實(shí)驗(yàn)方法研究。從1998年到2003年，他率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展雙光子熒光成像和光學(xué)二次諧波成像，與國(guó)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(kāi)始探索，“我覺(jué)得那時(shí)候還真是進(jìn)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(xué)深圳研究生院。深圳是中國(guó)改革開(kāi)放的窗口，有突出的創(chuàng)新文化和快速成長(zhǎng)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但高等教育卻滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！吧钲谟兄粋€(gè)很強(qiáng)、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(lái)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(shí)驗(yàn)室，馬輝重新思索科研方向?！吧钲谘芯可河袃蓚€(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是產(chǎn)業(yè)合作，一個(gè)是學(xué)科交叉。既然來(lái)到深圳，就必須充分利用這些特點(diǎn)?！?/p>

2004年，從英國(guó)回來(lái)的一位老師加入了馬輝課題組?！八鲞^(guò)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(kāi)始進(jìn)行偏振光散射及其應(yīng)用研究，這是一個(gè)全新的研究方向！”

馬輝向記者介紹，OCT就是光學(xué)相干斷層掃描儀的簡(jiǎn)稱，它可以通過(guò)背向散射對(duì)眼底視網(wǎng)膜或眼角膜進(jìn)行微米量級(jí)高分辨成像，為醫(yī)生提臨床診斷信息。課題組與當(dāng)?shù)毓竞献鳎_(kāi)啟了OCT產(chǎn)業(yè)化之路。

時(shí)至今日，當(dāng)初合作的小公司已經(jīng)占據(jù)中國(guó)眼科OCT產(chǎn)品30%以上市場(chǎng)份額，實(shí)驗(yàn)室畢業(yè)的幾個(gè)碩士也成為了公司的骨干。與此同時(shí)，針對(duì)偏振光散射的研究也日益深入，從最初一個(gè)應(yīng)用小課題，逐步產(chǎn)生新問(wèn)題，帶出新模型、計(jì)算程序、實(shí)驗(yàn)方法和應(yīng)用，形成了完整的研究方向。回想整個(gè)發(fā)展歷程，馬輝十分感慨：“當(dāng)初做偏振成像的時(shí)候我并沒(méi)有很高的期待值，周?chē)笥岩膊徽J(rèn)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?chē)且粋€(gè)偏振光的世界，當(dāng)你能感受偏振的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)世界如此豐富多彩！”

最近，偏振研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注，馬輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持了10余年，已經(jīng)形成自己的研究特色，在國(guó)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(cè)量，我們發(fā)展了一系列方法，能夠測(cè)得更加準(zhǔn)確和迅速；第二是信息提取，就是針對(duì)不同應(yīng)用尋找一些具有特異性的偏振指標(biāo)，比如某種癌變的臨床診斷指標(biāo)；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(wèn)題提供支撐；第四就是應(yīng)用，千方百計(jì)把偏振用于解決各種實(shí)際問(wèn)題。應(yīng)用也是我認(rèn)為最重要的一件事”。

做一個(gè)牽線人

對(duì)馬輝來(lái)說(shuō)，偏振能為我們提供一個(gè)信息寶藏。他打了一個(gè)形象的比喻，“不考慮偏振的時(shí)候，我們相當(dāng)于用一個(gè)字母來(lái)給不同人命名，也就是只能用強(qiáng)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(gè)陣元相當(dāng)于給了我們16個(gè)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(xué)方法都可能通過(guò)偏振調(diào)制升級(jí)為偏振方法，應(yīng)用于不同類型的問(wèn)題和樣品。

2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞，世界上污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市，有7個(gè)在中國(guó)。為此，我國(guó)在霧霾高發(fā)的16個(gè)省份選擇了43個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以期掌握不同地區(qū)PM2.5污染特征及成分差異?！爸袊?guó)的污染很復(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(mén)合作，發(fā)展一種利用偏振散射對(duì)空氣中顆粒物進(jìn)行計(jì)數(shù)、分類和源解析的儀器”，他進(jìn)一步解釋，“這就像一個(gè)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，原先我們只能估算人流總量，現(xiàn)在能告訴你不同時(shí)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(guó)家海底觀測(cè)試驗(yàn)網(wǎng)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。專業(yè)敏感性使馬輝開(kāi)始思考如何將偏振應(yīng)用到海洋，“通過(guò)這個(gè)項(xiàng)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(jí)現(xiàn)有的光學(xué)技術(shù)，提高通過(guò)測(cè)量所能獲得的信息量”。

從上世紀(jì)80、90年代開(kāi)始，全球平均氣溫比100年前上升了0.48℃，科學(xué)家們針對(duì)全球變暖這一自然現(xiàn)象提出了種種猜測(cè)。馬輝告訴記者，“其實(shí)藻類對(duì)環(huán)境變化影響很大，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(cè)出來(lái)，科學(xué)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(gè)造槍的，我不打仗，但我?guī)椭蛘痰娜?，提升軍?duì)的戰(zhàn)斗力”。

從事科學(xué)研究，興趣莫過(guò)于最好的助推劑。“我覺(jué)得發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后解決問(wèn)題很好玩，我就是喜歡做科研?！彪m然時(shí)常奔波于全國(guó)各地甚至國(guó)外，但馬輝說(shuō)：“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(lái)，在他的悉心呵護(hù)下，這顆種子破土而出，漸漸長(zhǎng)大。他相信偏振在未來(lái)的應(yīng)用潛力終將被更多人認(rèn)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(lái)一個(gè)翻天覆地的變化。