王帆教授，北京航空航天大学物理学院的杰出教授和博士生导师，是一位在生物光子学、纳米光子学、超分辨显微成像和光镊等领域具有深厚研究基础的学者。他的学术生涯充满了探索未知的勇气和对科学的无限热情。2021年，王帆教授获得了iCANX青年科学家奖。

王帆教授的学术之路始于新南威尔士大学，当时快退休的Michael Gal教授，极力推荐王帆去Peter John Reece教授团队读博，那时候Peter刚刚从圣安德鲁斯大学回到新南威尔士大学接管Michael Gal教授的实验室。于是王帆成了Peter第一位正式的博士生。

2024年王帆与Peter在北京合影

2013年王帆作为博后加入了博士期间的主要合作团队、澳大利亚国立大学Chennupati Jagadish院士团队，负责光学方面的研究。在那里，他不仅积累了丰富的研究经验，还与众多国际知名的科学家建立了深厚的友谊。

2023年王帆教授和ChennupatiJagadish院士合影

随后，他作为资深博后转至麦考瑞大学澳大利亚生物光子学研究中心，继续在James A. Piper教授和金大勇院士的指导下深入研究。在悉尼科技大学金大勇院士团队中，王帆教授担任纳米、生物光子学方向的研究负责人，这段经历为他后来的科研工作奠定了坚实的基础。

2020年王帆教授、金大勇院士和王帆老师之前的博士学生单旭晨博士(从左到右)

2019年，王帆教授被悉尼科技大学聘为校长特聘博士后研究学者，并开始成立自己的研究小组。在这里，他不仅进一步拓展了自己的研究领域，还开始培养自己的学生，为他们提供了一个充满挑战和机遇的科研环境。

2020年，王帆教授被澳大利亚科研理事会授予澳大利亚青年学者奖，这是对他在生物光子学领域所做贡献的高度认可。这一荣誉不仅提升了他的学术地位，也激励了他继续在科研道路上不断前行。

2022年回到北京航空航天大学成立纳米光子学课题组。

王帆教授自2014年博士毕业以来，一直致力于生物光子学和纳米光子学的研究。他共发表SCI文章90余篇，其中第一/通讯文章包括Nature Photonics, Nature Nanotech，Light: Science & Applications，Nature Communications，Optica，Advanced Materials,Nano Letters等国际顶级期刊。这些成果不仅展示了他在该领域的深厚造诣，也为全球科学界带来了新的研究思路和方法。

王帆教授领导了北京航空航天大学的纳米光子学研究小组，并在该领域进行了大量基础理论研究与关键技术研发。他在生物光子学应用方面具有深厚的专业知识，特别是在超分辨率显微镜、光镊、单纳米粒子跟踪和传感，和计算光学成像等方面取得了显著成果。

（一）王帆教授在超分辨显微成像领域也取得了显著成果。他与金大勇院士合作，利用上转换纳米颗粒的非线性能量传输，开发了一系列深组织光学超分辨技术。首次在93微米生物组织厚度下实现了50纳米以内的分辨率(Nature Communications2018)，利用稀土离子多能级非线性差异响应，将不同频率的空间信息分散至各能级发射波长对应的图像通道上，再将不同发射波长通道的图像在傅里叶平面进行剪裁拼接，进一步提高成像质量和分辨率，利用涡旋光配合共聚焦扫描可以有效的把纳米探针的非线性响应直接以点扩散函数改变的形式显示在超分辨图像中为超分辨成像的多分复用模式增加了非线性度这一正交维度，将传统的4个多路复用维度（强度、颜色、偏振、荧光寿命）拓展成为5个维度。他在上转换纳米颗粒超分辨方向发表文章14篇（包括1篇Nature,3篇Nature Communications），约占该方向所有发表文章数量的50%。这一系列深组织超分辨成像技术不仅为生物物理研究提供了新的研究工具，并且为纳米荧光探针的开发提供了新的研究方向。与悉尼科技大学Igor Aharonovich教授合作将这一超分辨技术拓展到二维范德瓦尔斯材料的研究，解析单光子源的位置(Nature Communications2018)，与悉尼科技大学金大勇教授合作将此技术用于解析纳米条形码 (Nature Communications2020)。

（二） 在纳米光镊领域，2010年，王帆与导师Peter Reece博士共同开发了纳米荧光光镊，用其研究纳米探针的力学与光学性质。并且与澳大利亚科学院院士、澳大利亚国立大学Chennupati Jagadish 教授合作，成为了当时世界上仅有的四个使用全息光镊来研究半导体纳米线的团队之一（其他团队包括加州大学伯克利分校杨培东教授&Jan Liphardt 教授团队，哈佛大学Charles M. Lieber 院士&纽约大学David G. Grier教授团队，和意大利国家化学物理研究中心Onofrio M. Maragò 博士团队）。自2015年起，王帆教授开始使用纳米荧光光镊来研究稀土掺杂纳米颗粒光力性质。通过将他开发的纳米荧光光镊技术与上转换纳米颗粒相结合，与金大勇院士合作，首次提出基于稀土离子共振的纳米光镊探针理论，并依此理论实现单纳米颗粒（半径23.3nm）创纪录的光力86 fN μm-1mW-1，比传统金纳米颗粒的光力高30倍（Nat. Nanotech. 2021）。同时，自光镊被发明的三十年间，这是第一次突破了光镊捕捉颗粒所需要的折射率落差限制、实现了单纳米颗粒最强的光力效果。这项研究不仅提供了新的光力增强理论，并且第一次引入了“光力染色剂”这一概念，即使用纳米颗粒对细胞进行染色可以大幅提高细胞、细胞器的光力效果。这项研究同时为上转换纳米颗粒的交叉领域应用提供了新思路。近期，利用离子共振光镊探针与光学超分辨单分子定位方法，王帆教授团队首次实现达到纳米尺度热力学灵敏度极限的纳米光子力学显微镜，实现创纪录的灵敏度1.8fN/ （Nat. Photon. 2024），为生物分子直接的精准弱力测量提供了更有效的工具。这一方向的研究由团队单旭晨助理教授负责。

图2利用上转换纳米颗粒内稀土离子的共振增强其电磁张量以及介电常数，实现大幅光力的增强，展示了其“光力染色剂”的独特应用。(Nature Nanotechnology2021)。(a) 稀土离子掺杂的纳米颗粒在受到与能级匹配的波长照射下，其中的离子会发生共振导致介电常数增强。(b) 在共振条件下UCNP会产生极大的光力增强，远大于同尺寸的传统光力探针如金纳米颗粒以及硅纳米颗粒。(c) 该颗粒可以作为“光力染色剂”标记生物组织以加强其光力效果。

基于这一系列工作，申请人于2023年受到光镊领域的权威专家、瑞典Gran Gustafsson奖得主Giovanni Volpe教授，Onofrio M. Maragò教授和澳大利亚勋章得主、澳洲科学院院士Halina Rubinsztein-Dunlop教授的邀请，参与撰写光镊领域的大综述（Roadmap for optical tweezers, Journal of Physics: Photonics 2023），总结了自20世纪70年代Arthur Ashkin首次利用激光捕获微粒以来光镊在生命科学中的应用。该路线图从理论基础到光镊设计和搭建，为目前涉及光力和光镊的研究提供了见解，它还为从生物物理学到太空探索等广泛的研究领域提供了广阔的应用前景。值得一提的是申请人是82位世界光镊领域专家作者中，唯一的来自中国高校的作者。

（三） 在单颗粒表征与传感方面， 王帆教授开展了一系列工作，开发了基于渐变透射滤光片的纳米颗粒时间分辨光谱表征系统，其效率是之前光谱仪的7倍，并且利用该系统实现了在宽场下单颗粒的识别和三维定位、细胞内的单纳米颗粒识别和五维追踪，以及粘滞系数传感技术。与悉尼科技大学金大勇院士、德国柏林洪保大學纳米光子学专家Oliver Benson教授合作，通过将纳米颗粒放置于具有反射层和相位层的光子学基片之上，其自身的荧光以及反射的荧光将形成纳米光源荧光自干涉，继而将这个现象和单颗粒示踪技术联系起来，将点扩散函数的变化量化为轴向位置变化。开发了自干涉轴向位置传感技术，达到了在宽场范围下50赫兹频率成像，最高分辨率小于1纳米，测量2500平方微米的成像时间小于0.02秒，比基于荧光寿命的传统检测方法快了将近一万倍，成果发表在Nature Communications(2021)。这一方向的研究由团队钟晓岚教授负责。

图3.(a) 利用单纳米颗粒的亮度表征实现单纳米颗粒的识别以及三维示踪。(b) 使用三维单颗粒示踪技术测量的细胞内粘滞系数（Light: Science & Applications2018）。细胞核内的粘滞系数（P4、P6）要远远大于细胞核之外的粘滞系数(P2、P3)。(c) 在镜面之上的单纳米颗粒发生荧光自干涉效果，其不同方向的偶极子形成不同的三维干涉图像（Nature Communications2021）。(d-e) 使用荧光自干涉图像的半腰宽变化 (FWHM)监测台阶状样品。

（四） 在计算光学上，王帆教授将超分辨成像与光镊的技术与单像素成像进行交叉融合，也取得了重要进展。例如王帆教授在2021年提出了自进化鬼成像技术，该技术利用遗传算法实现了照射图像的实时反馈更新，与传统的使用随机照射图像不同，这种方法不需要后期图像重建，照射光可直接变化为物体形状。现阶段王帆教授正在将自进化鬼成像技术拓展到不同波长与成像模态，实现了多模增益。此外王帆教授还进行了一系列计算高光谱成像的研究。这一方面的研究由团队的刘保磊助理教授负责。

王帆教授在科研道路上始终保持着一种纯粹的探索精神。他认为，科研的最终目的是探索未知，收获“开地图”的成就感。这种思想深深影响了他的研究风格，使他在面对新鲜灵感和全新领域时，总能保持清醒的头脑，不畏惧挑战。

王帆教授的研究方法也非常独特。他善于运用层层追问的办法来挖掘科研中的细节，深入了解科研中的细节与问题，并且从多个角度审视问题，是他解决问题的方案。

在王帆教授的科研旅途中，团队合作始终是他成功的重要基石。他深知，每一项科研成果的诞生，都是团队智慧的结晶，因此他始终倡导并践行着“快乐科研”的理念，让每一位团队成员在轻松愉悦的氛围中激发出无限的创造力。王帆教授的这种科研态度，不仅让团队成员在科研路上走得更远，更让他们在探索的旅程中享受到了科研的乐趣。

王帆教授在科研管理上展现出的自适应管理策略，更是体现了他对团队成员个性的尊重和对团队整体发展的深思熟虑。他像一位智慧的舵手，引领着团队在科研的大海中乘风破浪，既保证了团队的高效运转，又让每位成员都能在适合自己的位置上发挥出最大的潜能。

在人才培养上，王帆教授更是不遗余力。他深知，科研的未来在于一代又一代的青年才俊，因此他在教学和指导学生时，总是鼓励学生们去发现、去追求自己的科研兴趣，培养他们成为具有独立思考能力和创新精神的科研新星。

王帆教授的故事充满激情与智慧，他用自己的行动诠释着科研工作者的坚持与勇气，用自己的成就激励着后来者不断前行。在他的带领下，我们有理由相信，未来的科研世界将会更加精彩，更多的科学奇迹将会在他们的手中诞生。

2022年5月13日，iCANX Talks 97期，王帆教授为我们带来了《镧系掺杂纳米颗粒的生物应用Lanthanide doped Nanoparticles for Biophotonics Applications》的主题报告，可扫码查看：

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