科学仪器是科技进步之利器(二)——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)

3 更新理念促进原始性创新

夏：您讲到科学仪器上的创新是实现原始创新的捷径，在实践中应如何来体现创新？

陈：对于创新，我觉得总体上要瞄准目标，基础研究要顶天，开发应用要立地；改变以往孤立的“点状”目标，形成整体性创新“链条”，把各自分割状态的“点”变成相互协作和合作联系的“创新链”。这样有利于整体创新，有利于创新推动科学和技术的发展。国家重视，制定政策，给科学仪器发展提供了创新的条件。但我们对创新还必须有正确的理念和认识。

3.1 思想观念

首先，从思想观念上对创新要有正确认识：

(1) 不可偏废。在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。对技术不可偏废。

(2) 敬业执着。对于科学家尤其是分析化学家更需要敬业、执著, 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。既要有严谨细致、务实的工作作风，还要培养对新鲜事物的好奇心、自由畅想和坚韧不拔的意志，这些都是创新不可或缺的条件。

(3) 正确思维。建立正确的思维方法十分重要。既要有正确的逻辑思维，又要有直觉思维，还要有逆向思维。这是穷究科学真理、实现发明创造的钥匙。

(4) 重在积累。创新既不凭空想象也不靠运气, 而必然孕育于积累, 而后才能产生灵感和跃进，是“十年磨一剑” 的结果, 甚至要花毕生的精力。

3.2 创新理念

其次，要认识到创新作为学科建设的内涵和支撑，必须树立“ 以人为本、兼收并蓄、服务为先”的创新理念。

(1) 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和情有独钟的研究, 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；提倡团结、协作的团队精神。

(2) 服务为先。就是把解决问题放在第一位, 即使是搞基础研究, 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开展科技攻关, 积极将自己的科技成果移植到新的领域, 或转化为现实生产力, 为经济建设服务。

(3) 紧跟时代。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, 使分析化学面临巨大的挑战。创新应紧跟时代的发展。

(4) 学科交叉。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。

4 积极参加国家重大科研仪器设备研制专项

4.1 提高使命感，潜心仪器创新

夏：当前应如何进行科研仪器设备的创新？

陈：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, 从战略高度应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和开发。

国家自然科学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的研制，为科学研究提供更新颖的手段和工具，这将会全面提升我国的原始创新能力。

而作为分析化学家应牢记自己的使命。我们需要时刻记住二个“ 转化”的使命: 第一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。

多数分析化学家还仍然只习惯潜心于用现有的仪器设备去寻求新的分离、试测方法以解决面临的问题, 还不善于把许多创新成果用来创造出新型的测试工具, 以发挥更大的作用，因此我们要提高使命感，为科学仪器创新出力。

夏：你们承担了国家重大科研仪器设备研制专项，这个项目有何重要意义？项目关键是什么？请给我们做些介绍。

陈：好的。分析化学是科学技术的眼睛，是认识事物进而解决问题的工具，是人们获得物质组成、结构和物质变化过程中时空演变信息的一门科学。在现代科学技术中，伴随着学科交叉，分析化学与物理学、生命科学、材料科学、环境科学等学科的关系越来越密切。包括分析化学在内的测量科学，是衡量科技发展和国力强弱的重要标志之一。能源、材料、生命、环境和信息等领域的前沿与关键问题都需要这个工具来解决。分析化学发展到今天，它的研究对象也发生了极大变化，早已经从一般材料的组成和含量、超纯物质的痕量杂质分析，到生命体系中生物小分子、大分子等的成分分析，再到如今的单细胞中单分子、生物大分子及其相互作用的高时空分辨的分析，和活体中的单细胞分析。细胞就像一个小宇宙，每时每刻每处都在发生不停的变化之中，每一微小时间和每一微小空间间隔的生命过程都在发生变化，它是怎么发生的、有什么不同？对健康与疾病-药物治疗有何关系？等等。所以，活细胞和活体的生命分析科学要求时空分辨、信号转导等的研究，所有这些都关联着生物分子一系列的相互作用与结构变化过程，这个过程就更加复杂了。

2014年开始我们承担了一项总经费6 400万元国家自然科学基金委(部委推荐)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”，就在做这样的探索。正如世界上没有两片完全相同的树叶，世界上也没有两个完全相同的细胞。单个细胞里发生着什么样的反应，药物分子如何钻进去与细胞中物质起作用？反应产物怎么出来？它们之间有什么差异？等等。这对于我们研究生命过程的本质与重大疾病起源均有重大意义。例如对我们了解癌症等疾病的致病机理，为实现精准个体化治疗提供有价值的信息。而诸如人类意识和记忆的形成、生命的起源等基础科学问题，也都离不开单细胞分析。单细胞分析并不是只做一个细胞，有时要做大量的单个细胞结果的统计平均，才有生物学意义。目前，我们正在为生命科学与疾病诊断的基础与应用研究提供有力的方法与技术支撑。

我们南京大学科研团队合作单位有清华大学、东南大学和中国医学科学院药物所。在项目执行过程中，大家非常重视原始创新，要求能溯源物质性质(简称“物性”)，从源头上设计各个实验方案(图5)。在这一指导原则的指引下，项目组近百位师生开展了具有高度原创性的科学研究，可见难度之大。

图5 陈洪渊院士给团队讲解仪器总体设计

4.2 进行单细胞分析，探索微观生命科学

夏：这个项目的科学价值和难点是什么？

陈：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。在其Single Cell Biology专刊上对生命科学研究发展归纳为：

19世纪，描述推测。由于受限于工具，只能描述现象，推测机理。

20世纪，观测归纳。实验技术飞速发展，能够观测现象归纳规律。

21世纪，精确诠释。要求在分子水平精确解析生命过程的化学本质。

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)上呼吁，急需解决细胞生物学中的重大问题，归纳起来主要有：

(1) 生物分子的单分子特性；

(2) 细胞内生物分子的定位、定性与定量；

(3) 细胞内生物分子的相互作用动力学；

(4) 特异分子标记物。

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(一般至少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。

为了有助于更好认识细胞功能及生命过程的物化本质，分析仪器还需要能测量细胞本身的物化特性，包括细胞内部的温度、压力、pH值、环境粘度等。

(1) 细胞内部的温度及其热传递(图6)：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的？细胞不同位置的传热特性有无区别？

图6 细胞内部的温度及热传递示意图

(2) 细胞内部的压力(图7)。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。细胞内部的压力与细胞的健康状态紧密相关。如何测量细胞内部的压力？

图7 细胞内部的压力示意图

(3) 细胞内部的pH值(图8)。细胞内一些酶(如水解酶等)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。

(4) 细胞内的环境黏度(图9)。细胞内部的分子是非常拥挤的，细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，这个粘度是多少？如何测量？都是我们要分析的。

图8 细胞内部的pH值示意图

图9 细胞内的环境黏度示意图

从化学视野看，生命过程是多层次的、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、物质交换与迁移、价键变化、构象改变、分子相互作用等等。

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，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。