2023年诺贝尔物理学奖授予了阿秒脉冲技术的发明者。瑞典皇家科学院成员Mats Larsson教授在介绍阿秒脉冲的应用前景时提到，其中一个重要的应用方向是建立生物样本的分子“指纹”。

他表示，超强超短脉冲可用于激发血液样本中的分子， 再以阿秒精度检测分子发射的红外光，为科学家提供一种识别血液中微小变化的方法。这种方法的灵敏度很高，未来有希望能够在疾病早期就捕捉到一个人是否患有癌症。

激光在生命科学领域的这一应用正是由今年的诺奖新晋得主费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）最先开发。通过将宽带光学、超快激光源和精确的飞秒-阿秒场解析技术相结合，克劳斯研究组开发出了光电场分子“指纹”技术，可以检测生物流体分子成分的变化。

物理学家切换“生命科学”赛道

诺奖官网介绍称，这种方法有望成为一种新的体外诊断分析技术，用于检测血液样本中痕量的疾病特征分子。它的最大优点是可以同时监测许多分子，而且辐射是非电离的，因此不会对人体造成伤害。

中国科学院物理研究所团队与克劳斯团队在激光器光源的研发上有着紧密合作。中国科学院物理研究所副研究员方少波对克劳斯开辟的这一激光的生命科学赛道非常了解。

“克劳斯的构想是，激光将不仅仅应用于基础研究，所以他开辟了将激光带向生命科学领域的全新赛道，并发起了L4L（Laser for Life，激光为了生命）的项目，他希望未来有望通过一种超高灵敏度的新型血液检测技术，将激光的应用推向普罗大众。”

但方少波强调，要实现这一目标还需要全球科学家付出大量努力，因为从技术上来讲难度不小。“变革性的技术在未被充分验证之前不适合商业推广，更不适合拿到资本市场上去吹嘘炒作。”方少波对第一财经记者说道。

克劳斯能够想到开创这样一个物理学和生物医学交叉领域的赛道并非偶然。他在马克斯普朗克研究所的同事汉希（T.W. Hnsch）曾凭借精密激光光谱及光频梳方面的研究共同获得2005年的诺贝尔物理学奖。汉希正是将克劳斯引入马克斯普朗克研究所的人，他曾任马克思普朗克量子光学研究所（MPQ）主任。他相信通过气体（呼吸）就能检测到人体的疾病。

克劳斯领导的慕尼黑大学激光物理系宽带红外诊断（BIRD）团队与慕尼黑大学医学中心合作，他们首先借助目前已经成熟的傅里叶变换红外光谱（FTIR）方法，获得健康人稳定的血液样本的分子成分，然后再分析疾病引起的体液的成分变化。由于生物信息分子的浓度通常极低，FTIR的方法检测不出这种变化。而鉴于激光强度更高，克劳斯团队认为借助新的红外激光技术，可以更加灵敏和精确地对血液分子成分进行更详细的表征。

方少波解释道，简单来说，克劳斯正在研究的方法其实是使用了能够检测到阿秒脉冲的方法来检测血液。这种方法会比FTIR的方法精确好几个数量级。在这之前，克劳斯团队已经用糖水来进行检测试验，把糖水的浓度不断稀释，直到现有所有商用检测手段都检测不出浓度后，再把它稀释近千倍，然后用新的方法还能检测出其含糖量。

“分子具有不同的振动频率，这些特征频率所对应的激光光谱，就好像是指纹信息一样，可以通过谱学来进行分析。”方少波对第一财经记者表示。

血检为癌症早期诊断提供技术支撑

在2020年底发表在《自然》杂志上的一篇关于使用新方法检测极低浓度的不同类别分子的论文中，克劳斯曾表示：“利用我们的激光器，已经能够以非常高的灵敏度检测受激发的分子发出的电信号。”

该研究的主要负责人马里努斯·胡贝尔（Marinus Huber）表示：“这种对体液分子成分变化的精确测量，再加上对健康对照的稳定分子‘指纹’的了解，为生物学和医学领域开辟了新的分析机会。我们的结果表明，能以微创方式高效、重复地获得生物信息丰富的基于血液的红外指纹。”

他们补充道，在这种情况下，关键是分析足够灵敏和足够广泛的分子（或分子类型），以便能够监测个人健康并在早期阶段检测癌症等疾病。

“在这一检测方法中，激光器很重要，检测方法也很重要。”方少波对第一财经记者表示。他补充道，中国科学院物理研究所团队正在与克劳斯合作推进新型超快光源和超高精度的检测技术。

方少波还向第一财经记者透露，克劳斯为了开发这种新的激光脉冲检测血液的方法，过去几年时间里，他每天坚持给自己采血，有时采集一次，有时采集几次，用自己的血液来进行生物信息的长期样本分析。

“他就是这种对于科学非常执着的科学家，他甚至曾经认为，他的这种血液检测的新方法比获得诺奖更重要。”方少波对第一财经记者说道。

他补充道，作为一个物理学家，为了“跨界”，克劳斯组建了一个交叉学科团队，建立了基础科研人员与临床医生对话的渠道，自己还很努力地去学习医学知识。并且，克劳斯希望在亚洲等地设立多个研究中心，打造一个全球的分子“指纹”样本库。

“克劳斯不仅是一个优秀的科学家，而且他还非常善于调动一切资源，他愿意给年轻人很大的发展空间，让他们在最富有创造力的年龄，带领团队独当一面。从来不害怕有人和自己争。”方少波告诉第一财经记者。（钱童心）

编辑/田野