本刊記者 劉玉杰

微觀世界的瞬間記錄者
——記“青年千人計劃”學(xué)者陳縉泉

本刊記者 劉玉杰

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

飛秒時間分辨光譜學(xué)科剛剛興起時，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競逐這一領(lǐng)域的強(qiáng)國之席。

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，我又對理論計算不是很感興趣，所以最終選擇了光譜?！标惪N泉的導(dǎo)師正好從事的是飛秒時間分辨光譜的研究，導(dǎo)師的研究深深吸引了他，于是陳縉泉就此進(jìn)入飛秒時間分辨光譜的研究領(lǐng)域。

陳縉泉說，從事飛秒時間分辨光譜的研究既是陰差陽錯，也是命中注定，隨著學(xué)習(xí)與工作的深入，他發(fā)現(xiàn)自己越來越喜歡這個專業(yè)，他說，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)師將實驗室搬遷到了蒙大拿州立大學(xué)，而此時陳縉泉還沒有完成博士學(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)熤鲃诱埨t，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)籌建新的實驗室。

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實的基礎(chǔ)。同時，他也收獲了不少對他產(chǎn)生重要影響的良師益友。從導(dǎo)師對他工作與生活無微不至、如父親一般的照顧，到師兄師姐對他溫暖的關(guān)懷，還有他從德國博士后身上學(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富。如今，陳縉泉對于科研問題可謂錙銖必較，不清楚的問題一定要弄明白，這些都得益于他在美國時養(yǎng)成的良好科研習(xí)慣。

給DNA分子“拍照”

盡管在國外多年，陳縉泉有著很多見聞感悟，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秒時間分辨光譜是指光譜的時間分辨水平達(dá)到飛秒量級，1飛秒是10的-15次方秒，納秒對于飛秒來說都已經(jīng)算是相當(dāng)漫長的時間了。在這么短的瞬間，時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)的過程。

“這就如同我們用相機(jī)連拍籃球運(yùn)動員投籃的動作，通過一秒內(nèi)連拍的多張照片，我們能夠記錄運(yùn)動員起跳、投籃、進(jìn)框等一系列動作。時間分辨光譜的原理和它類似，只不過將時間從一秒推進(jìn)到幾百個飛秒的速度，同時我們研究的目標(biāo)不是運(yùn)動員的投籃過程，而是分子中一些電子或者能量轉(zhuǎn)移過程等。我們追蹤這個過程，就能講清楚化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理。”

近年來，利用飛秒時間分辨光譜技術(shù)，陳縉泉正在從事一項新穎的研究：通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜手段跟蹤DNA分子激發(fā)態(tài)的動力學(xué)過程，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)的動力學(xué)過程。

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為脫氧核苷酸受到紫外刺激后形成電子激發(fā)態(tài)，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成有害產(chǎn)物。這項研究對于生物體內(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）通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)探測到DNA單個堿基激發(fā)態(tài)特性而得以首次突破?！蹦壳埃瑢τ谕饨绛h(huán)境以及DNA單個堿基在組成長鏈以后的高級結(jié)構(gòu)對其光物理和光化學(xué)特性的影響正在逐漸成為一個世界性的研究熱點(diǎn)。在該領(lǐng)域中，陳縉泉已經(jīng)誕生了4項主要研究成果。

陳縉泉與團(tuán)隊于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)確地測量DNA堿基間垂直重疊相互作用對DNA激發(fā)態(tài)能量散失的影響。

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

“正是因為這是一門歷史很短的學(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，碰撞出更多價值。”陳縉泉說。

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)國家重點(diǎn)實驗室，已經(jīng)開始著手建立生物光子學(xué)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊，正好需要年輕人加入。導(dǎo)師介紹，這是一個非常好的平臺，如果陳縉泉愿意回國，可以來華東師范大學(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，一方面回國考察實驗條件，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)雙百計劃“紫江青年學(xué)者”引進(jìn)精密光譜與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，同年入選國家“青年千人計劃”，全職回國，正式開展在祖國的科研工作。

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

回國后，陳縉泉在國家重點(diǎn)實驗室結(jié)識了不少和他一樣的年輕人，這群年輕人無論在科研能力還是科研態(tài)度上都“絕對不輸國外的年輕人”，這讓陳縉泉很快就融入了回國后的科研工作?！翱梢哉f，我們中華民族的特性使得科研工作者比美國的科研工作者更努力、更拼命。在同等條件和水平下，只要我們肯付出時間和精力，我相信我們在未來會有更多的產(chǎn)出，更好的成果。”

陳縉泉說，現(xiàn)在國家重點(diǎn)實驗室大概已經(jīng)擁有八九個很好的實驗平臺，但生物分子飛秒瞬態(tài)吸收光譜領(lǐng)域，還沒有一個實驗平臺?！拔蚁Ｍ芾米约涸诿绹I建實驗室的經(jīng)驗，盡快將這個平臺搭建好，依托平臺進(jìn)行國際合作，開展DNA或蛋白質(zhì)動力學(xué)過程的研究?！闭勂鹱约旱囊?guī)劃與理想，陳縉泉興奮不已，微觀世界里瞬息萬變的故事牽引著他的腳步，讓他走得更好更遠(yuǎn)。