以时空为尺，探寻物质最深处的变化——记上海大学环境与化学工程学院教授赵微

谢更好

赵微在实验中

古语云：一叶落，而知天下秋。叶落，指的是秋叶从枝头落到地上的空间距离的运动，以及在飘落过程中时间维度的流逝。而所谓叶落知秋的说法之所以成立，是因为其代表了一种见微知著的逻辑，即通过正确认知细微处物质的动态变化而推演出宏观世界发展的趋向与结果。

这不仅是文学、哲学，更是自然科学。只不过到了现代科学，大家对细微事物的观察不再局限于落叶，而是深入微观粒子层面。多年来，上海大学环境与化学工程学院教授赵微致力于高时空分辨电化学成像与测量领域的研究，通过对单分子、单颗粒、单细胞的空间与时间变化来从最本质处认识物质世界的客观变化规律。

众所周知，唯有不断探索事物的客观规律才能推动自然科学蓬勃发展。这是人们认识世界的必经之路，是社会发展的坚实基础，也是赵微克服一个又一个科研挑战的价值所在。

榜样指引前行

时至今日，当赵微再次回忆起16年前的那场会议，依然会心绪翻涌，感慨良多。

将时钟调回2006年，彼时，处于奥地利、瑞士和德国三国交界处博登湖畔的林岛小镇群星璀璨，汇集了来自世界各地的23位诺贝尔奖获得者及众多的杰出青年学者，他们此行皆是为了参加第56届林岛诺贝尔奖得主大会。

赵微就是与会的25名中国青年学者之一。彼时的她正处于攻读博士阶段，师从我国著名分析化学家和教育家、中国科学院院士陈洪渊先生。陈洪渊先生治学严谨，尤其注重言传身教，他总会在科研上提出创新的想法，常常与学生一起“头脑风暴”。作为陈洪渊先生门下学生，赵微早早就在科研领域展现出潜力。在读博期间开展电化学生物传感器的研究时，她便参与了徐静娟教授主持的“周围神经束性质的快速原位电化学检测研究”项目。在陈先生和徐老师的指导下，她与临床外科医生合作，期望在手术中快速鉴别运动神经与感觉神经，提高患者肢体预后的功能。最终，这项研究成果成功发表在《分析化学》（Analytical Chemistry）上，还申请了国家发明专利。也正是基于她读博期间出色的研究成果，赵微通过了中德科学中心的层层选拔，获得极其宝贵的机会，与诺贝尔奖得主共聚一堂，作为正在攀登科研金字塔的青年学者，聆听已经登顶的大师们的研究经验与心得感悟。

赵微犹记得，当自己向诺贝尔奖获得者——膜片钳发明者厄温·内尔（Erwin Neher）教授询问道：作为一名科研工作者，该如何面对科研上的困难和倦怠？面对这一问题，厄温·内尔教授回顾了自己大半生走过的科研路程，并语重心长地对赵微说道，不要畏惧困难和挑战，正是多学科的学习、对于科学问题专注的思考、以及多年来坚持不懈的实验工作，才使得他获得了如今的成就。赵微将这句回答深深地印在了心里，并将其浓缩为一句：不要畏惧困难和挑战，挑战可以促使人进行更深入的思考，使我们更接近真理。

彼时的赵微还没有想到，此后自己将在科研道路上经历数不清的挑战，而这句话则在她每次面对挑战与困难时给她指引，赋予她勇气。

与挑战共同成长

很快，赵微就迎来了自己研究道路上的一次令人难忘的挑战。

2008年，在参加林岛诺贝尔奖得主大会两年后，刚刚取得博士学位的赵微获得中德科学中心的资助，前往德国专家贝姆（Jürgen Behm）教授的实验室开展博士后研究工作。Behm教授师从诺贝尔奖得主埃特尔（Gerhard Ertl）教授，在固体表面化学过程的研究中有着极高的建树。赵微希望能在博士后阶段拓宽自己的研究领域，学习更多的知识。然而从电化学传感方向到燃料电池界面电化学反应在线分析，研究内容和仪器方法完全不同，这给她带来了很大的压力。更让人为难的是，上一位在Behm教授组从事这项工作的学者失败了，仅仅给后来者留下了一本仪器操作手册。

新的科研方向，新的科研环境，一切都要自己摸索。面对压力，赵微想起了当初在国内求学时，陈洪渊先生讲给她的自己当年在严重缺乏研究设备的环境下坚持科研工作的经历，无论处于怎样资源匮乏的环境，先生都不曾放弃学习。与此同时，当初在林岛诺贝尔奖大会获得的启发也浮现在她心里。

想到这些，赵微很快沉下心来，进入苦研状态，她研制了一套在线萃取装置，这一装置可以对电池反应的产物进行实时的分离。因为她出色的研究成果，赵微获得了德国洪堡基金会的资助，在之后的两年中，她完整地构建了一套系统，包括薄层电化学池、微分电化学质谱和电喷雾质谱。这个装置实现了对燃料电池反应过程的完整记录，使研究者增加了对于电化学反应生成中间产物、主产物以及副产物的机理的认知。

正应了那句话：“挑战可以使人更深入地思考，更加接近真理。”博士后期间的刻苦钻研，让赵微对整个科研从理论到实践的过程有了完整的思考。

科研生活就好像好莱坞影片一样，在经历令人紧张的情节之后，总会进入一个相对平静的阶段。受德国高度工业化的环境熏陶，赵微开始关注工业化方向的研究，希望能够通过自己的工作，实实在在地推动仪器行业的发展。因此，2011年回国后，她选择进入安捷伦科技上海有限公司担任高级工程师。于她而言，那是相对平静，也非常充实的4年，但她也坦言，内心深处总有一种说不清、道不明的缺憾。直到2015年她回到南京大学拜访陈洪渊先生，了解到陈先生正在主持一项重大仪器专项时才猛然发现，自己最想要的，仍是接触更前沿、更高难度的工作。“诚然，在一个优秀的企业里，你做的研究是世界前10%的水平，但只有在科研界，你才能触及那前1%。”赵微说道。

看清楚自己的内心之后，赵微毅然做出决定，回到南京大学化学化工学院从事高时空分辨电化学成像与测量方面的研究，去接触更加前沿的科技，迎接更大的挑战。

之所以说是更大的挑战，主要原因是科技的发展日新月异，对于之前在工业界从事4年工作的赵微来说，已然错过了很多。但每当感到压力巨大的时候，陈先生的教导和对科研的热爱总会支撑她义无反顾地继续走下去。直到后来，她从南京大学来到如今所就职的上海大学开始独立建设课题组，面对全新的环境和挑战，对科学和真理的追求仍时刻赋予她勇气和力量。

赵微（后排右一）与陈洪渊先生和徐静娟教授在德国留影

科研服务于社会

2021年，《科学》杂志发布“全世界最前沿的125个科学问题”，其中一个问题就是：如何在微观界面测量界面现象？再次回到学术界的赵微从事的就是这一领域的研究。

人眼所能分辨物体的最小尺寸是50～100微米，如果借助显微成像技术，则可以将观测范围深入纳米甚至单个原子尺度。但这样就可以正确了解物质了吗？无论是哲学还是现代科学，都在告诉人们，世间万事万物都处于不断变化之中，所以赵微说道：“世界是动态的，界面现象是不断变化的。”

但要在分子、原子水平精准地观测动态的变化，来描绘三维世界化学反应的真实图景，其间的难度何其高。要知道，目前针对微纳界面的测量常常为了获得高灵敏度和某一维度的高分辨率，而放弃对完整过程信息的追求。这就好比对待物质世界观其貌而不观其全貌，又如何能获得正确的认知呢？

林岛学者在德意志学术交流中心总部（赵微为二排左五）

为了能够在极其微小的空间内实现对于极其微弱信号快速而精准的测量，赵微结合电化学测量的高灵敏度和光学信号的高读取通量，研制成基于电化学发光的“超灵敏微纳界面电化学发光成像”装置。据赵微介绍，电化学发光源于电化学反应电子转移过程中将电能转化为辐射能的过程，其承袭了电化学测量快速响应，高灵敏、高时空可控性等特点，又结合了光学测量通量高、所见即所得的优点，可直接成像与测量微纳界面分子反应的核心——电子转移过程。借助这一装置，赵微通过对异质金属双面神（金-铂结构）界面电化学反应的实时成像，首次发现这种异质结构纳米材料具有更高的催化转化效率及稳定性。基于电化学发光超灵敏成像策略实现了单颗粒界面电子转移、物质迁移及表面吸附等过程的分析研究，并且阐明了纳米异质材料特殊电催化性能的微观结构基础。值得一提的是，这一研究尤其有助于能源领域先进材料的设计、合成以及筛选。

尽管实现了微纳界面电化学反应过程的超灵敏成像，但赵微并未满足于此。在她看来，科研之路就像爬山，越过一座山丘之后，后面还有一座座山峦等待着自己。比如电化学发光成像虽然可针对电子转移过程进行超灵敏的实时测量，然而受限于光学衍射极限，其空间分辨率介于200～300n m之间，难以提升。为此，她又创建了“超分辨电化学发光成像”新方法，将图像重建技术与电化学发光成像结合，研制成超分辨电化学发光显微镜，突破光学衍射极限，使成像空间分辨率达到100nm。在此基础上，她带领团队采用超分辨电化学发光成像，测量一维和二维纳米材料表面电化学活性分布，探索晶格结构和表面缺陷与表面化学转化率之间的本征关系。随着反应进行，配位数低的高活性表面原子更易于因表面氧化及反应物吸附而失活，这一过程可于数秒内发生，界面电化学反应被实时记录下来，从而获得电化学反应中催化剂的空间活性位点及随时间改变的化学转化率的完整图景。

当然，这一领域研究的应用方向是发散性的。如赵微所说，高时空分辨电化学成像是用来观测三维世界的物质，这其中自然也包括生命，或者说是生命体内细胞的生老病死。受此启发，赵微研制了“分子动态过程实时成像”电化学发光时序测量装置，通过它可成像纳米-生物界面分子的动态过程。

众所周知，生死之间的距离包含着细胞的新生与死亡，医学可以通过种种手段来治愈人体，但前提是足够了解这个过程。目前单细胞动态成像的局限在于，在传统的明场成像中，因对比度不足，会丢失很多重要的过程信息。赵微研制的“分子动态过程实时成像”电化学发光时序测量装置，可跟踪焦亡过程中单细胞界面的动态变化，精准成像细胞形态结构的改变、细胞基质粘附性的变化、焦亡小体的产生，以及细胞膜通透性的增加等过程，在毫秒级时间尺度上开展单细胞测量。

这一工作增加了对细胞生命过程的理解，同时也为体外的精准测量和在体的临床应用研究提供了全新的方法，推动了电化学发光在化学测量学与生命科学领域的应用。

无论是提出“超灵敏电化学发光成像”的分析新策略，还是研制出“分子动态过程实时成像”的电化学发光时序测量装置、创建“超分辨电化学发光成像”新方法，抑或是其他的重要研究成果，于赵微而言，都是她在过往一路的科研过程中必须接受的挑战。挑战的目的是为了探寻自然界最本质的科学问题，而最终的目标一定是为社会发展服务。在科研始终围绕社会生产力发展的前提下，赵微希望将研究发现应用于生产实践，去推动能源领域和生命科学技术的发展。赵微说，在未来，她也会携团队一起着手相关成像与测量仪器的产业孵化，争取让更多的科研工作者能够使用到团队自主研发的设备。

显然，未来的科研道路上还有数不清的挑战在等着赵微，但她相信自己有足够的勇气与底气来迎接这些挑战。