微觀世界的瞬間記錄者

劉玉杰

時(shí)間分辨光譜是指通過(guò)記錄到的光譜隨時(shí)間的變化，了解在瞬時(shí)過(guò)程中發(fā)生的事件和過(guò)程，從而得到在普通穩(wěn)態(tài)光譜中無(wú)法得到的信息。飛秒時(shí)間分辨光譜學(xué)科的發(fā)展時(shí)間很短，上世紀(jì)70年代末到80年代初方才興起，到現(xiàn)在也不過(guò)短短30多年的光景。

飛秒時(shí)間分辨光譜學(xué)科剛剛興起時(shí)，陳縉泉還是襁褓中的嬰兒。如今，這名“80后”科學(xué)家已經(jīng)踏上了這條學(xué)科發(fā)展之路，與同仁們一起為中國(guó)競(jìng)逐這一領(lǐng)域的強(qiáng)國(guó)之席。

命中注定的選擇

陳縉泉2007年本科畢業(yè)于南京大學(xué)，畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了物理化學(xué)領(lǐng)域催化劑材料和催化機(jī)理方向。本科畢業(yè)后，陳縉泉選擇前往美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，他選擇的方向依然是自己感興趣的物理化學(xué)方向。

“光譜研究是俄亥俄州立大學(xué)的特色與強(qiáng)項(xiàng)，我又對(duì)理論計(jì)算不是很感興趣，所以最終選擇了光譜。”陳縉泉的導(dǎo)師正好從事的是飛秒時(shí)間分辨光譜的研究，導(dǎo)師的研究深深吸引了他，于是陳縉泉就此進(jìn)入飛秒時(shí)間分辨光譜的研究領(lǐng)域。

陳縉泉說(shuō)，從事飛秒時(shí)間分辨光譜的研究既是陰差陽(yáng)錯(cuò)，也是命中注定，隨著學(xué)習(xí)與工作的深入，他發(fā)現(xiàn)自己越來(lái)越喜歡這個(gè)專業(yè)，他說(shuō)，這是他的幸運(yùn)。

在俄亥俄州立大學(xué)學(xué)習(xí)兩年后，陳縉泉的導(dǎo)師將實(shí)驗(yàn)室搬遷到了蒙大拿州立大學(xué)，而此時(shí)陳縉泉還沒(méi)有完成博士學(xué)位的學(xué)習(xí)。陳縉泉很喜歡自己從事的專業(yè)方向，于是向?qū)熤鲃?dòng)請(qǐng)纓，將學(xué)籍留在俄亥俄州立大學(xué)，自己則跟隨導(dǎo)師前往蒙大拿州立大學(xué)籌建新的實(shí)驗(yàn)室。

在蒙大拿州立大學(xué)工作近5年，陳縉泉得到了極大的鍛煉，在科學(xué)研究方面受到了系統(tǒng)的培訓(xùn)，為今后從事科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，他也收獲了不少對(duì)他產(chǎn)生重要影響的良師益友。從導(dǎo)師對(duì)他工作與生活無(wú)微不至、如父親一般的照顧，到師兄師姐對(duì)他溫暖的關(guān)懷，還有他從德國(guó)博士后身上學(xué)到的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度以及受到的嚴(yán)格培訓(xùn)，這些都是讓陳縉泉受用一生的財(cái)富。如今，陳縉泉對(duì)于科研問(wèn)題可謂錙銖必較，不清楚的問(wèn)題一定要弄明白，這些都得益于他在美國(guó)時(shí)養(yǎng)成的良好科研習(xí)慣。

給DNA分子“拍照”

盡管在國(guó)外多年，陳縉泉有著很多見(jiàn)聞感悟，但聊起這些年的經(jīng)歷，他還是更愿意談?wù)撟约簭氖碌膶I(yè)。

飛秒時(shí)間分辨光譜興起于上世紀(jì)70年代末80年代初，陳縉泉在美國(guó)的導(dǎo)師是這一學(xué)科領(lǐng)域的前幾批研究生之一?！斑@是一個(gè)很新的領(lǐng)域，不像傳統(tǒng)的物理化學(xué)已經(jīng)發(fā)展了一兩百年，它有很廣闊的發(fā)展前景?！憋w秒時(shí)間分辨光譜是指光譜的時(shí)間分辨水平達(dá)到飛秒量級(jí)，1飛秒是10的-15次方秒，納秒對(duì)于飛秒來(lái)說(shuō)都已經(jīng)算是相當(dāng)漫長(zhǎng)的時(shí)間了。在這么短的瞬間，時(shí)間分辨光譜要捕捉蛋白質(zhì)或DNA分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。

“這就如同我們用相機(jī)連拍籃球運(yùn)動(dòng)員投籃的動(dòng)作，通過(guò)一秒內(nèi)連拍的多張照片，我們能夠記錄運(yùn)動(dòng)員起跳、投籃、進(jìn)框等一系列動(dòng)作。時(shí)間分辨光譜的原理和它類似，只不過(guò)將時(shí)間從一秒推進(jìn)到幾百個(gè)飛秒的速度，同時(shí)我們研究的目標(biāo)不是運(yùn)動(dòng)員的投籃過(guò)程，而是分子中一些電子或者能量轉(zhuǎn)移過(guò)程等。我們追蹤這個(gè)過(guò)程，就能講清楚化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理。”

近年來(lái)，利用飛秒時(shí)間分辨光譜技術(shù)，陳縉泉正在從事一項(xiàng)新穎的研究：通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜手段跟蹤DNA分子激發(fā)態(tài)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而闡明DNA受激以后的能量轉(zhuǎn)移以及可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

脫氧核糖核酸（DNA）是地球上幾乎所有生物基因的載體。組成DNA的四種脫氧核苷酸，均對(duì)紫外線有著強(qiáng)烈的吸收。生物基因光致?lián)p傷的主要原因就是因?yàn)槊撗鹾塑账崾艿阶贤獯碳ず笮纬呻娮蛹ぐl(fā)態(tài)，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成有害產(chǎn)物。這項(xiàng)研究對(duì)于生物體內(nèi)能量和電子的傳輸，以及生命的起源、進(jìn)化、變異、外太空生命的探索可以起到重要的指導(dǎo)作用。

“這是一項(xiàng)很新的研究，2000年，這一領(lǐng)域才由俄亥俄州立大學(xué)Bern Kohler教授（陳縉泉的博士導(dǎo)師）通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)探測(cè)到DNA單個(gè)堿基激發(fā)態(tài)特性而得以首次突破。”目前，對(duì)于外界環(huán)境以及DNA單個(gè)堿基在組成長(zhǎng)鏈以后的高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)其光物理和光化學(xué)特性的影響正在逐漸成為一個(gè)世界性的研究熱點(diǎn)。在該領(lǐng)域中，陳縉泉已經(jīng)誕生了4項(xiàng)主要研究成果。

陳縉泉與團(tuán)隊(duì)于2012年首先表征了與DNA本源堿基及其相近的次黃嘌呤和黃嘌呤衍生物的電子激發(fā)態(tài)；隨后又證明了上述分子可以在高頻率振動(dòng)態(tài)和溶劑分子發(fā)生共振，以熱能散失額外能量。陳縉泉將傳統(tǒng)的圓二色光譜和飛秒瞬態(tài)光譜相結(jié)合，證明了飛秒瞬態(tài)光譜結(jié)合傳統(tǒng)圓二色光譜能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量DNA堿基間垂直重疊相互作用對(duì)DNA激發(fā)態(tài)能量散失的影響。

此外，他還首次成功準(zhǔn)確測(cè)量出雙鏈DNA激發(fā)態(tài)的能量散失過(guò)程。

“正是因?yàn)檫@是一門(mén)歷史很短的學(xué)科，所以它才擁有更廣闊的發(fā)展空間，在與其他學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)中，碰撞出更多價(jià)值。”陳縉泉說(shuō)。

做喜歡的事不疲倦

2014年，陳縉泉從一位導(dǎo)師那里得知，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)開(kāi)始著手建立生物光子學(xué)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)，正好需要年輕人加入。導(dǎo)師介紹，這是一個(gè)非常好的平臺(tái)，如果陳縉泉愿意回國(guó)，可以來(lái)華東師范大學(xué)考察一下。

當(dāng)年9月，陳縉泉受到華東師范大學(xué)的邀請(qǐng)，一方面回國(guó)考察實(shí)驗(yàn)條件，一方面參加面試，雙方一拍即合。2015年，陳縉泉由華東師范大學(xué)雙百計(jì)劃“紫江青年學(xué)者”引進(jìn)精密光譜與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同年入選國(guó)家“青年千人計(jì)劃”，全職回國(guó)，正式開(kāi)展在祖國(guó)的科研工作。

談到回國(guó)，陳縉泉認(rèn)為這是自然而然的事情?！敖陙?lái)，國(guó)家對(duì)科研的投入日益增加，國(guó)內(nèi)的科研條件甚至在某些方面超越了美國(guó)。在同等條件下，為什么不選擇一個(gè)能夠說(shuō)母語(yǔ)、能與家人團(tuán)聚、能為祖國(guó)做更多貢獻(xiàn)的環(huán)境呢？”

回國(guó)后，陳縉泉在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)識(shí)了不少和他一樣的年輕人，這群年輕人無(wú)論在科研能力還是科研態(tài)度上都“絕對(duì)不輸國(guó)外的年輕人”，這讓陳縉泉很快就融入了回國(guó)后的科研工作?！翱梢哉f(shuō)，我們中華民族的特性使得科研工作者比美國(guó)的科研工作者更努力、更拼命。在同等條件和水平下，只要我們肯付出時(shí)間和精力，我相信我們?cè)谖磥?lái)會(huì)有更多的產(chǎn)出，更好的成果?！?/p>

陳縉泉說(shuō)，現(xiàn)在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大概已經(jīng)擁有八九個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但生物分子飛秒瞬態(tài)吸收光譜領(lǐng)域，還沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。“我希望能利用自己在美國(guó)籌建實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，盡快將這個(gè)平臺(tái)搭建好，依托平臺(tái)進(jìn)行國(guó)際合作，開(kāi)展DNA或蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究?！闭勂鹱约旱囊?guī)劃與理想，陳縉泉興奮不已，微觀世界里瞬息萬(wàn)變的故事?tīng)恳哪_步，讓他走得更好更遠(yuǎn)。endprint