光-生物磁学与生物量子光物理及技术

光-生物磁学和生物量子光物理是光学与物理学、生物学相结合的新颖交叉学科，是生命科学、信息科学和物质科学的重要分支学科和研究领域。光-生物磁学的主旨在于应用光学的技术和方法，研究测量与特定生理活动和（或）生物各层次结构相关的磁信号，以及在迁徙、生命活动的物理、物理化学过程中导致的磁性变化。通过建立生物体内部的自旋极化分布图像与变化规律，有利于阐明生物内有关物质和能量构成及其自旋极化的时间和拓扑的变化规律。生物量子光物理旨在利用量子技术的最新进展所提供的精度和控制水平，应用为量子状态特性和操作开发的方法，在不断变化的生物环境中，根据激发或反射的光的物理特性（如波长、相位）进行敏感、可靠和可追溯的相关生物特性的表征研究。

光-生物磁学和生物量子光物理与研究大分子的软物质凝聚态物理学、细胞内外物理化学过程的分子生物学、多组元相互作用高度非均匀非线性的复杂系统理论有密切的联系，有助于对生物系统的深入了解，以及应对生命医学研究中量化信息爆炸所带来的紧迫挑战。研究光-生物磁学和生物量子光物理常常依赖于全新的技术手段和研究工具，如精确控制生物个体的排列和动力学的激光光镊的全息光学和多重焦点配置，高灵敏度和高分辨率激光共聚焦显微系统的多重扫描检测系统，以及光的量子特性调制等。

本课题组以我国深海潜水工程所捕获的深海微生物为典型研究对象。这些微生物生活在深海黑暗、高压的极端环境中，它们适应极端环境的机制尚需研究阐明，与此同时，它们也进化出了独特的代谢途径、并能产生独特的代谢产物，具有潜在的应用价值。其中包括趋磁细菌（Magnetotactic bacteria）这一类能沿地磁场磁力线运动的细菌，对其进行光-磁学表征以及磁-运动操控将有利于加深对该细菌的了解和它们在高压生物矿化过程中的角色。实验上，本课题组目前聚焦于光学捕捉技术的开发，在借鉴以往光学捕捉系统的技术基础上，紧抓本领域研究热点、焦点，对光镊系统与其它技术手段，如磁力显微和激光共聚焦等，的桥接与结合的混合系统进行深入研究，以期探索开发高性能、高灵敏度的光学捕捉、操控和高分辨率、多维度的成像技术。

相关研究人员：

王钧雷研究员（网页链接，待更新）

房常峰副研究员http://www.core.sdu.edu.cn/info/1110/1876.htm

王岩教授（兼职） http://cmls.ouc.edu.cn/2019/0723/c13678a254205/page.htm

Lu Deng教授 （网页链接，待更新）

相关图片：

                  光镊原理（见Reference#1）       光镊俘获细胞 (http://people.bss.phy.cam.ac.uk/~pc245/)

化学信号4F-吲哚荧光探针对深海细菌野生型（A）

及qseB 突变体（B）的激光共聚焦成像

海洋溶杆菌YC36的原子力显微镜成像

相关研究论文:

1. Ashkin, A., Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Physical Review Letters, 1970. 24(4): p. 156-159.

2. Dai, X., et al., Optical tweezers-controlled hotspot for sensitive and reproducible surface-enhanced Raman spectroscopy characterization of native protein structures. Nature Communications, 2021. 12(1): p. 1292.

3. Kemmerich, F.E., et al., Simultaneous Single-Molecule Force and Fluorescence Sampling of DNA Nanostructure Conformations Using Magnetic Tweezers. Nano Letters, 2016. 16(1): p. 381-386

4. Comstock, M.J., T. Ha, and Y.R. Chemla, Ultrahigh-resolution optical trap with single-fluorophore sensitivity. Nature Methods, 2011. 8(4): p. 335-340.

5. Grier, D.G., A revolution in optical manipulation. Nature, 2003. 424(6950): p. 810-816.

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