科学仪器是科技进步之利器(一)——访中国科学院院士南京大学陈洪渊教授

夏 有 为

(《实验室研究与探索》编辑部， 上海 200030)

1 仪器创新推动科技发展

夏有为(简称夏)：陈院士，您多年在实验室从事科学仪器的研究与创新，并取得卓越的成果。这次又介绍了国家重大科学仪器设备研制专项。请您谈谈科学仪器对科学发展所起的作用。

陈洪渊(简称陈)：实验室是科学研究的基地，而实验室极为重要的组成部分是科学仪器。科学仪器既是工具，也是我们进行科学探索和认识世界的重要手段。古人云，工欲善其事，必先利其器。科学仪器基础研究是科学仪器发展的源泉，先进的科学仪器是原始性科研创新的利器。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。而原始性的科技创新成果则又孕育着新颖科学仪器的诞生，两者互为因果，相依相随。国家自然科学基金委员会原主任陈宜瑜院士说：“现代科技的重大突破越来越依靠科研仪器的进步，特别是基于新原理的科研仪器的创新性发展。

元素周期表发明人门捷列夫曾说过，科学是从测量开始的。1991年诺贝尔化学奖得主Richard Ernst也说过，现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展。钱学森曾指出，“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术3部分组成。测量技术是关键和基础。”测量技术是建立在仪器技术的基础之上，这些都是非常精辟的论述。

大量事实表明，谁掌握或者拥有最先进的科学仪器，谁就有可能作出最先进、最杰出的科研成果；强大的科技创新能力的基础，是科学仪器和测量方法的创新。科学史上及诺贝尔物理学和化学奖的事实表明，约有1/3是奖给那些在创新与发展科学仪器或测量方法方面有杰出贡献的科学家(图1、2、3、4)。由此足见分析测试以及仪器创新在人类科学技术和社会发展中的重要性。

我本人是学化学的。1956年考入南京大学化学系，1958年进入新成立的放射化学专业，边学习边工作。1960年提前毕业留校转入分析化学专业任教后又去物理系进修。在这些转换的过程中，让我有幸学习了多门无线电电子学课程、核物理、数理方程、脉冲电路等课程，奠定了较厚实的数理基础。早在学生时代就装成过测量放射性剂量的仪器，这对我在其后的教科生涯中得益良多。在上个世纪60年代，我参加工作后曾搞过一段较长时间的仪器研制。50多年的经历，我深刻理解仪器研究的重要性，特别是原创性科学仪器，这对科学发展是一项非常重要的工作。

图3 2014年诺贝尔化学奖“超分辨荧光显微镜”

图4 2017年 冷冻电镜技术获奖者

王大珩院士在十几年前曾讲过，科学仪器是认识世界的重要工具，凝聚着人类的智慧，并成为科学研究的物质基础。但仪器仪表往往被看作科研和工业生产的配角，其实它早已成为我国科技发展和提升工业产品质量的核心组成部分，作用举足轻重。事实证明，中国科技实力和经济发展的“咽喉”，部分地被卡在仪器仪表这一关上。王大珩院士的呼吁充分反映了一大批科学技术界有识之士的心声，发展仪器仪表、分析测试、测控技术等以及相关学科集成交叉的重要性不言而喻，这对我国科技创新以至诺贝尔奖的问鼎都有直接的关系。

21世纪之初，方肇伦和我亦曾提出发展生命分析仪器的具体方案，称为《张衡工程》，并经科学院学部(院士局)以《张衡工程》呈报国务院主管部门，建议将国外进口仪器关税收入的一部分用来补贴研制科学仪器的资金。后来，终因海关进出口金额巨大，而科学仪器占比数又小，统计和执行困难而止步。

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。这是我国科学仪器创新与发展的强大动力。国家科技部、基金委等采取措施大力支持鼓励仪器创新都是非常正确的。

2 我国迫切需要发展原创性科学仪器

夏：在科学仪器研制方面我们国家目前的情况如何？

陈：当今世界以信息和生命科学为龙头的科学技术，已成为经济社会发展的最强大推动力；科学技术已成为综合国力竞争的决定因素。当前，我国在作为科技发展基础的科学仪器与装备方面与科技发达国家的差距很大，对科技发达国家的依赖性过大，对于应对可能出现的遏制的抗衡能力脆弱。迄今，我国每年形成固定资产的上万亿元投资中，60%以上用于进口设备，且关键的高端精密仪器主要依赖进口。以分析检测仪器为例，近年来我国的销售额仅占全球销售额的0.3%，而且绝大部分为中低档产品，高端仪器装备，如色谱—质谱仪、核磁共振波谱仪、等离子体质谱仪、电子能谱仪、透射和扫描电镜、自动生化分析仪和核酸测序仪等，则全部依靠进口。

在生物医学仪器方面，我国对进口的依赖程度更为严重，现在省、市级医院的临床生化检验很少使用国产仪器。我国大型医疗设备与仪器的市场主要被美、德、日等国家的跨国公司占有。我国弱小的生物医学仪器行业更是举步维艰，正面临着空前严峻的生存考验。

目前我们的国家实验室和国家重点实验室已全被国外高级仪器充满，高端医疗仪器则被国外垄断。有人说，我们每个国家级项目的立项，就意味着又有一大笔资金外流。

同时，我国科学仪器产业受到严重挑战，科学仪器队伍日显萎缩。搞科学仪器研究的得到经费少、研究周期长，没人愿意去做。我国科学研究进一步发展，面临着“空心化”、“局域化”、“二流化”等挑战。我们搞科学研究依赖国外的科学仪器，研究生用的大都是进口的傻瓜式仪器，只用它来作实验、发文章，有的人连仪器的原理都不知道。固然，我们用别人的仪器也能作出原创性成果，也能验证我们的想法，但却不能作出世界顶级的、重大原创成果，更谈不上全面、综合地研究出一流的科学仪器和测试方法。

有人说，我们在科学仪器制造领域将沦为“半殖民地”或“殖民地”的险境。“半殖民地”就是我们自己还搞一点改进，或自己研制一些。“殖民地”就是完全买别人的仪器，这一领域全被人家占了！这种说法虽然未免耸人听闻，不过却很形象，我们科学仪器的振兴确已到了刻不容缓的地步！相应科技政策的出台和保证实施已经势在必行！

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与装备, 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。

夏：根据这种情况应如何解决我国科学仪器水平和发展问题？

陈：国家科技部和自然科学基金委在推动我国科学事业的进步，推动科研队伍壮大方面都起着非常大的作用。基金委设立科研仪器基础研究专项和部委推荐重大科学仪器专项是很有远见的战略措施。我相信，投入资金短缺的问题会逐渐好转。科学仪器基础研究是一项长期的战略任务，我们希望国家科技部和自然科学基金委加大对科学仪器专项的资助面和相应力度，各大块保持合理的平衡，建立新的评估体系，建立一支稳定的科学仪器基础研究队伍。

科学仪器上的创新往往是实现原始创新的捷径。目前，科学仪器的发展正面临着难得的历史性机遇。进入21世纪，生命科学的发展极大推动了相关科学仪器的发展，在细胞和分子水平上对生命现象的进一步研究要求新一代的测试仪器。我们在谱仪等大型仪器上短期内很难超过国外，但部分生化仪器上则可以超越。生物体内的物质代谢、能量代谢与信息传递的研究中对分析的要求是原位、在体、实时、超痕量，对分析测试仪器的要求则是微型、便携、超高速、超灵敏及高度自动化。这就要求一些基于全新原理的科学仪器的面世，这对我们来说是个实现跨越式发展的机会。

发展基于新理论、新概念、新方法和新技术的分析测试方法与测试仪器，包括高端分析方法的建立，航空、航天、太空、深海、潜艇，极端条件(超低温、超高温、超强度、失重的、高真空等等)下的分析测试的完成。在单细胞、单分子、纳米生物技术、药物输运的监控，生命的禁区，在极端条件下分析仪器装置测试的可靠性，修饰针尖上检测生物大分子等。研究先进成像技术；细胞生命过程的活体分析；纳米技术的生物应用、医学应用；纳米技术的安全性问题等等方面，都存在很大的创造空间。

当然，整个科学仪器领域水平的提高涉及方方面面的问题，国家有关领导部门的高度重视，一定会推进这一领域的加快发展。

(未完待续)