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陳洪淵:科學儀器是窮究物性、攻堅克難的利器

 

時間:2019-05-31
來源:中國教育在線  【責任編輯:】
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  5月26日,作為中國高等教育博覽會(2019·春)的主旨論壇之一,由中國高等教育學會實驗室管理工作分會、福建工程學院、國藥勵展展覽有限責任公司承辦的第二屆高校實驗室建設與發展論壇順利召開。中國高等教育學會會長、教育部原黨組書記、副部長杜玉波,教育部高等教育司副司長徐青森,中國科學院院士、教育部長江特聘教授、北京大學教授、中國高等教育學會實驗室管理工作分會理事長程和平,南京大學教授、中國科學院院士、美國化學會會士陳洪淵等專家出席會議。

   

  中科院院士、南京大學教授陳洪淵

  會上,陳洪淵院士做了題為《科學儀器:窮究物性、攻堅克難的利器》專題演講。以下為演講內容:

  首先熱烈祝賀中國高等教育博覽會2019·春大會順利召開!本次演講的主題是《科學儀器:窮究物性、攻堅克難的利器》,我將從原始性創新與科技進步、科學儀器與科技進步、儀器研發中的心得體會三個方面闡述本次專題。

  一、原始性創新與科技進步 

  原始性創新是推動科學進行與社會進步的法寶,是科教興國的靈魂,也是國家民族振興的靈魂。李克強總理在2019年3月5日政府工作報告中說到:提升科技支撐能力;加大基礎研究和應用基礎研究支持力度,強化原始創新,加強關鍵核心技術攻關,健全以企業為主體的產學研一體化創新機制。

  創新是科學技術和社會生產發展的需要,它將推動分析化學的發展和變革,而分析化學的發展又將作用于科學技術和社會生產。化學和物理學等諾貝爾獎的得主中,約有1/3到1/4是提出創新測試方法的科學家,由此足見分析測試在人類科學技術和社會發展中的重要性。儀器創新是推動科技發展的動力,科學史上超過1/3的諾貝爾獎授予了新儀器發明創造,國家、科技部、基金委等也大力支持鼓勵儀器創新。

  要創新,首先還要需要觀念上的更新。我國科學界有時也會出現一種重科學輕技術的現象。科學與技術本是一對孿生兄弟,密不可分。固然這二者各有側重,但兩者互相依存,互為因果。分析化學家更需要敬業、執著,沖破禁錮,解放思想,自強不息,大膽創新。“創新”從某種意義上說是長期潛心、執著研究的積累在特定情況下的閃光,掀翻束縛而在目標方向上的突破,使科學和技術有了跳躍式的前進。創新既不憑空想象也不靠運氣,而必然孕育出積累,而后才能產生靈感和躍進。創新是“十年磨一劍”的結果,甚至要花畢生的精力。

  創新是學科建設的內涵和支撐,要樹立以人為本,兼收并蓄,服務為先的理念。以人為本就是要尊重人才,愛惜人才,支持科學家進行好奇心驅動下的情有獨鐘的研究,以尋求新發現;鼓勵探索,寬容失敗;弘揚科學精神,提倡學術爭鳴,廣開言路,保護不同意見;構建創新環境和營造創新文化。服務為先就是把解決問題放在第一位,既要搞基礎研究,同樣也要增強為社會服務的意識;對于原始性創新,也不能游離于國民經濟發展的進程之外,應緊緊圍繞現代化建設的需要展開科技攻關,積極將自己的科技成果轉移到新的領域,或轉化為現實生產力,為經濟建設服務。

  21世紀的生命科學、環境科學、材料科學和能源科學等領域迫切地要求分析化學發展各種新的測量和表征手段以解決其疑難問題,尤其是作為本世紀科學發展的中心和主導科學的生命科學。基于其研究體系的復雜性,分析化學面臨巨大的挑戰。

  當前,分析化學與生命科學等領域的專家密切合作,進行學科的交叉,增強“介人”的觀念,沖破禁錮和傳統的束縛,解放思想,更有利于我們躋身去爭取和承擔國家的任務和交叉到其他學科領域去充當參與者的角色,進一步拓寬創新的道路,擴大創新的視野。

  二、科學儀器與科技進步 

  事實上,沒有自己創新出來的儀器設備很難獲得世界一流的突破性、變革性的成果。我國的分析儀器制造業與先進國家的水平差距甚大,大部分高級、大型的分析測試儀有賴于進口。在當前知識經濟主導的時代,如果我們沒有自主知識產權的技術和裝備,如果我們的科學儀器(包括分析儀器)產業不及時趕上,不僅影響科學技術的發展,亦必將危及經濟甚至國家安全。分析化學家需要時刻記住二個“轉化”:第一個是把科學技術的新成就包括一切創新的理念轉化為定型的分析測試方法;第二是把分析方法轉化為儀器裝置。

  分析儀器水平的提高受制因素很多,可謂積重難返,根本問題的解決帶有綜合性和全局性。但無論如何,我仍然從戰略高度鼓勵更多的分析化學家與相關領域專家攜手積極從事、參與分析儀器的研制與進步。基金委和科技部面向科學前沿和國家需求,以科學目標為導向,鼓勵和培育具有原創性思想的探索性科研儀器研制,著力支持原創性重大科研儀器設備研制,為科學研究提供更新穎的手段和工具,以全面提升我國的原始創新力。

  三、儀器研發中的心得體會 

  我也承擔了一項國家自然科學基金委重大科學儀器研制專項——“單細胞時空分辨分子動態分析系統”。這個項目由南京大學牽頭,清華大學、東南大學、醫科院藥物所等一起合作。

  這項儀器的科學意義在哪里呢?單細胞分析是生命科學向微觀探索的一個重要標志,對探究生命過程的本質與重大疾病起源均有重大意義。2012年,Science而將單細胞相關研究列為2013年六大重點科學研究之首。2013年,Science展望單細胞為21世紀生命科學研究的主要趨勢和突破口。我國著名細胞生物學家陳宜張院士等科學家在科研前沿論壇(2012)上同聲呼吁:急需解決細胞學物學中的重大問題,歸納起來主要有生物分子的單分子特性,細胞內生物分子的定位、定性與定量,細胞內生物分子的相互作用動力學和特異分子標記物等。無論是認識生命還是改善生命質量首先要了解生物化學的基礎,把生命理解成化學,所有的生命體都有一個共同的語言,這個語言就是化學,我們要用單細胞來研究。

  細胞生理過程涉及多種生物分子(一般10種以上)在細胞局部空間的協同作用。因此,要求分析儀器能夠以納米尺度和毫秒(微秒)級的時間分辨,對多種生物分子同時檢測,闡明這些分子時空分布與細胞功能之間的關系。一個細胞里的生物分子平均濃度和局部濃度有很大差異,因此時空分辨十分重要。

  此外,對細胞里內部的溫度、壓力、PH值以及環境黏度等基本物化特性的測量,有助于更好認識細胞功能及生命過程的物化本質。從生命角度看,合適的溫度是生命維持的保證;從化學角度看,溫度是影響化學反應動力學的重要物理量;因此要檢測細胞內部的溫度分布是不是均勻?細胞不同位置的傳熱特性有無區別?而壓力是影響細胞形態及細胞功能的重要物理量,細胞在需要合適的滲透壓下維持其功能。細胞內一些酶需要在特定的PH值下發揮活性,細胞內的PH值分布不是均勻的,如溶酶體內是酸性的,因此,精確測量細胞內部的PH值非常重要。細胞內部的分子是非常擁擠的,細胞胞質內是由多種分子混合成的“泥漿”,這個“泥漿”的黏度對于維持細胞活性也很重要,這些都是我們要分析的。

  從化學視野看,生命過程是多層次、多元的、復雜的化學反應過程的綜合體現;包括電荷傳遞、能量轉移、物質交換、價鍵變化、構想改變、分子相互作用等。對細胞內這些過程的精準測量有助于更深理解生命的化學本質,揭示異常生命現象發生的內秉根源。迄今為止,我們對生命過程化學本質的認識還很有限,要解開這些未知之謎,亟需發展新型的單細胞時空分辨分析儀器。

  共聚焦熒光顯微技術是目前最主要的單細胞分析手段,空間分辨率在250nm左右,時間分辨率在毫秒級,無法同時滿足對時間、空間分辨的要求。研究生物分子相互作用動力學,需要高于微秒級的時間分辨率,而共聚集熒光顯微技術的時間分辨率不能達到這個要求,解決細胞中生物分子高時空分辨的動態監測,必須另辟蹊徑。

  我們提出一種以納米級電化學探針為核心,利用納米級電化學探針的天然多重特性,將電化學、光學和質譜技術集成在一個微工作平臺上,融合微流控芯片、耦聯光學-質譜技術發展全新的單細胞分析儀器。項目自始至終以“科學與工程控制論”的整體觀,將生命、物理、化學、信息等學科的交叉性,各種物理場及物質相互作用的非線性,電子遷移、能量交換、物質輸運等在特定過程的一體性和失量性等基元有機融合,突破局部掩全局和一葉障目的局限,溯原物質世界的“本來面目”,實現項目既定目標。這是實施項目總體指導思想和技術路線上的革新與創新。

  項目執行方針采取兩條腿走路,以問題引導儀器,以儀器促進問題,一邊研制,一邊研究,一邊解決。這個儀器正在準備驗收。我們技術核心是時間分辨、空間分辨,包括高空間分辨(電50nm,質500nm)、高時間分辨(10us)一個核心和電華、光學、質譜三種方法。

  這個儀器可以解決許多問題,也促進了我們對基本問題的認識和思考:生命的活動和過程不僅在于物質變遷,還包括能量和信息的改變;如果能在nm空間、ns時間內解析細胞內電荷、能量、物質的分布和變化,則能揭示未知規律,作出原創性的發現。腦是認知過程的載體,是意識與思維活動的中心,腦活動相關分子的產生、信息傳輸與轉化過程是形成感知、思維等復雜腦功能的物質基礎,美國、歐洲、日本、韓國都啟動了腦科學研究計劃,中國也是如此。因為有這個項目支撐,南京大學搞了一個卓越計劃,研究記憶的分子基礎。意識和記憶存在的物質基礎是什么?腦功能和化學信號之間是如何精準關聯匹配的?腦功能的化學信息是什么,存在編碼嗎?化學信息是如何存儲的,介質是什么,存儲規則是什么?諸如此類的問題都是我們研究的對象。

  2018年6月,兩院院士大會的《寄語》是窮究物性,敢為人先,勇于攀登,嚴謹求實,為開拓創新之首;心系祖國,團結協同,激勵奮進,志在奉獻,為付諸行動之根。我想用這兩句話跟年輕的同志共勉,愿與同仁共勉奮斗,實現中華民族的偉大復興,謝謝大家!

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