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中科院院士、南京大学教授陈洪渊:科学仪器是穷究物性、攻坚克难的利器
2019-05-26
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  5月26日,作为中国高等教育博览会(2019·春)的主旨论坛之一,由中国高等教育学会实验室管理工作分会、福建工程学院、国药励展展览有限责任公司承办的第二届高校实验室建设与发展论坛顺利召开。中国高等教育学会会长、教育部原党组书记、副部长杜玉波,教育部高等教育司副司长徐青森,中国科学院院士、教育部长江特聘教授、北京大学教授、中国高等教育学会实验室管理工作分会理事长程和平,南京大学教授、中国科学院院士、美国化学会会士陈洪渊等专家出席会议。

中科院院士、南京大学教授陈洪渊

  会上,陈洪渊院士做了题为《科学仪器:穷究物性、攻坚克难的利器》专题演讲。以下为演讲内容:

  首先热烈祝贺中国高等教育博览会2019·春大会顺利召开!本次演讲的主题是《科学仪器:穷究物性、攻坚克难的利器》,我将从原始性创新与科技进步、科学仪器与科技进步、仪器研发中的心得体会三个方面阐述本次专题。

  一、原始性创新与科技进步

  原始性创新是推动科学进行与社会进步的法宝,是科教兴国的灵魂,也是国家民族振兴的灵魂。李克强总理在2019年3月5日政府工作报告中说到:提升科技支撑能力;加大基础研究和应用基础研究支持力度,强化原始创新,加强关键核心技术攻关,健全以企业为主体的产学研一体化创新机制。

  创新是科学技术和社会生产发展的需要,它将推动分析化学的发展和变革,而分析化学的发展又将作用于科学技术和社会生产。化学和物理学等诺贝尔奖的得主中,约有1/3到1/4是提出创新测试方法的科学家,由此足见分析测试在人类科学技术和社会发展中的重要性。仪器创新是推动科技发展的动力,科学史上超过1/3的诺贝尔奖授予了新仪器发明创造,国家、科技部、基金委等也大力支持鼓励仪器创新。

  要创新,首先还要需要观念上的更新。我国科学界有时也会出现一种重科学轻技术的现象。科学与技术本是一对孪生兄弟,密不可分。固然这二者各有侧重,但两者互相依存,互为因果。分析化学家更需要敬业、执着,冲破禁锢,解放思想,自强不息,大胆创新。“创新”从某种意义上说是长期潜心、执着研究的积累在特定情况下的闪光,掀翻束缚而在目标方向上的突破,使科学和技术有了跳跃式的前进。创新既不凭空想象也不靠运气,而必然孕育出积累,而后才能产生灵感和跃进。创新是“十年磨一剑”的结果,甚至要花毕生的精力。

  创新是学科建设的内涵和支撑,要树立以人为本,兼收并蓄,服务为先的理念。以人为本就是要尊重人才,爱惜人才,支持科学家进行好奇心驱动下的情有独钟的研究,以寻求新发现;鼓励探索,宽容失败;弘扬科学精神,提倡学术争鸣,广开言路,保护不同意见;构建创新环境和营造创新文化。服务为先就是把解决问题放在第一位,既要搞基础研究,同样也要增强为社会服务的意识;对于原始性创新,也不能游离于国民经济发展的进程之外,应紧紧围绕现代化建设的需要展开科技攻关,积极将自己的科技成果转移到新的领域,或转化为现实生产力,为经济建设服务。

  21世纪的生命科学、环境科学、材料科学和能源科学等领域迫切地要求分析化学发展各种新的测量和表征手段以解决其疑难问题,尤其是作为本世纪科学发展的中心和主导科学的生命科学。基于其研究体系的复杂性,分析化学面临巨大的挑战。

  当前,分析化学与生命科学等领域的专家密切合作,进行学科的交叉,增强“介人”的观念,冲破禁锢和传统的束缚,解放思想,更有利于我们跻身去争取和承担国家的任务和交叉到其他学科领域去充当参与者的角色,进一步拓宽创新的道路,扩大创新的视野。

  二、科学仪器与科技进步

  事实上,没有自己创新出来的仪器设备很难获得世界一流的突破性、变革性的成果。我国的分析仪器制造业与先进国家的水平差距甚大,大部分高级、大型的分析测试仪有赖于进口。在当前知识经济主导的时代,如果我们没有自主知识产权的技术和装备,如果我们的科学仪器(包括分析仪器)产业不及时赶上,不仅影响科学技术的发展,亦必将危及经济甚至国家安全。分析化学家需要时刻记住二个“转化”:第一个是把科学技术的新成就包括一切创新的理念转化为定型的分析测试方法;第二是把分析方法转化为仪器装置。

  分析仪器水平的提高受制因素很多,可谓积重难返,根本问题的解决带有综合性和全局性。但无论如何,我仍然从战略高度鼓励更多的分析化学家与相关领域专家携手积极从事、参与分析仪器的研制与进步。基金委和科技部面向科学前沿和国家需求,以科学目标为导向,鼓励和培育具有原创性思想的探索性科研仪器研制,着力支持原创性重大科研仪器设备研制,为科学研究提供更新颖的手段和工具,以全面提升我国的原始创新力。

  三、仪器研发中的心得体会

  我也承担了一项国家自然科学基金委重大科学仪器研制专项——“单细胞时空分辨分子动态分析系统”。这个项目由南京大学牵头,清华大学、东南大学、医科院药物所等一起合作。      

  这项仪器的科学意义在哪里呢?单细胞分析是生命科学向微观探索的一个重要标志,对探究生命过程的本质与重大疾病起源均有重大意义。2012年,Science而将单细胞相关研究列为2013年六大重点科学研究之首。2013年,Science展望单细胞为21世纪生命科学研究的主要趋势和突破口。我国著名细胞生物学家陈宜张院士等科学家在科研前沿论坛(2012)上同声呼吁:急需解决细胞学物学中的重大问题,归纳起来主要有生物分子的单分子特性,细胞内生物分子的定位、定性与定量,细胞内生物分子的相互作用动力学和特异分子标记物等。无论是认识生命还是改善生命质量首先要了解生物化学的基础,把生命理解成化学,所有的生命体都有一个共同的语言,这个语言就是化学,我们要用单细胞来研究。

  细胞生理过程涉及多种生物分子(一般10种以上)在细胞局部空间的协同作用。因此,要求分析仪器能够以纳米尺度和毫秒(微秒)级的时间分辨,对多种生物分子同时检测,阐明这些分子时空分布与细胞功能之间的关系。一个细胞里的生物分子平均浓度和局部浓度有很大差异,因此时空分辨十分重要。

  此外,对细胞里内部的温度、压力、PH值以及环境黏度等基本物化特性的测量,有助于更好认识细胞功能及生命过程的物化本质。从生命角度看,合适的温度是生命维持的保证;从化学角度看,温度是影响化学反应动力学的重要物理量;因此要检测细胞内部的温度分布是不是均匀?细胞不同位置的传热特性有无区别?而压力是影响细胞形态及细胞功能的重要物理量,细胞在需要合适的渗透压下维持其功能。细胞内一些酶需要在特定的PH值下发挥活性,细胞内的PH值分布不是均匀的,如溶酶体内是酸性的,因此,精确测量细胞内部的PH值非常重要。细胞内部的分子是非常拥挤的,细胞胞质内是由多种分子混合成的“泥浆”,这个“泥浆”的黏度对于维持细胞活性也很重要,这些都是我们要分析的。

  从化学视野看,生命过程是多层次、多元的、复杂的化学反应过程的综合体现;包括电荷传递、能量转移、物质交换、价键变化、构想改变、分子相互作用等。对细胞内这些过程的精准测量有助于更深理解生命的化学本质,揭示异常生命现象发生的内秉根源。迄今为止,我们对生命过程化学本质的认识还很有限,要解开这些未知之谜,亟需发展新型的单细胞时空分辨分析仪器。

  共聚焦荧光显微技术是目前最主要的单细胞分析手段,空间分辨率在250nm左右,时间分辨率在毫秒级,无法同时满足对时间、空间分辨的要求。研究生物分子相互作用动力学,需要高于微秒级的时间分辨率,而共聚集荧光显微技术的时间分辨率不能达到这个要求,解决细胞中生物分子高时空分辨的动态监测,必须另辟蹊径。

  我们提出一种以纳米级电化学探针为核心,利用纳米级电化学探针的天然多重特性,将电化学、光学和质谱技术集成在一个微工作平台上,融合微流控芯片、耦联光学-质谱技术发展全新的单细胞分析仪器。项目自始至终以“科学与工程控制论”的整体观,将生命、物理、化学、信息等学科的交叉性,各种物理场及物质相互作用的非线性,电子迁移、能量交换、物质输运等在特定过程的一体性和失量性等基元有机融合,突破局部掩全局和一叶障目的局限,溯原物质世界的“本来面目”,实现项目既定目标。这是实施项目总体指导思想和技术路线上的革新与创新。

  项目执行方针采取两条腿走路,以问题引导仪器,以仪器促进问题,一边研制,一边研究,一边解决。这个仪器正在准备验收。我们技术核心是时间分辨、空间分辨,包括高空间分辨(电50nm,质500nm)、高时间分辨(10us)一个核心和电华、光学、质谱三种方法。

  这个仪器可以解决许多问题,也促进了我们对基本问题的认识和思考:生命的活动和过程不仅在于物质变迁,还包括能量和信息的改变;如果能在nm空间、ns时间内解析细胞内电荷、能量、物质的分布和变化,则能揭示未知规律,作出原创性的发现。脑是认知过程的载体,是意识与思维活动的中心,脑活动相关分子的产生、信息传输与转化过程是形成感知、思维等复杂脑功能的物质基础,美国、欧洲、日本、韩国都启动了脑科学研究计划,中国也是如此。因为有这个项目支撑,南京大学搞了一个卓越计划,研究记忆的分子基础。意识和记忆存在的物质基础是什么?脑功能和化学信号之间是如何精准关联匹配的?脑功能的化学信息是什么,存在编码吗?化学信息是如何存储的,介质是什么,存储规则是什么?诸如此类的问题都是我们研究的对象。

  2018年6月,两院院士大会的《寄语》是穷究物性,敢为人先,勇于攀登,严谨求实,为开拓创新之首;心系祖国,团结协同,激励奋进,志在奉献,为付诸行动之根。我想用这两句话跟年轻的同志共勉,愿与同仁共勉奋斗,实现中华民族的伟大复兴,谢谢大家!

 

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