科學儀器是科技進步之利器(一)
——訪中國科學院院士南京大學陳洪淵教授

夏 有 為

(《實驗室研究與探索》編輯部， 上海 200030)

1 儀器創新推動科技發展

夏有為(簡稱夏)：陳院士，您多年在實驗室從事科學儀器的研究與創新，并取得卓越的成果。這次又介紹了國家重大科學儀器設備研制專項。請您談談科學儀器對科學發展所起的作用。

陳洪淵(簡稱陳)：實驗室是科學研究的基地，而實驗室極為重要的組成部分是科學儀器。科學儀器既是工具，也是我們進行科學探索和認識世界的重要手段。古人云，工欲善其事，必先利其器。科學儀器基礎研究是科學儀器發展的源泉，先進的科學儀器是原始性科研創新的利器。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。而原始性的科技創新成果則又孕育著新穎科學儀器的誕生，兩者互為因果，相依相隨。國家自然科學基金委員會原主任陳宜瑜院士說：“現代科技的重大突破越來越依靠科研儀器的進步，特別是基于新原理的科研儀器的創新性發展。

元素周期表發明人門捷列夫曾說過，科學是從測量開始的。1991年諾貝爾化學獎得主Richard Ernst也說過，現代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發展。錢學森曾指出，“新技術革命的關鍵技術是信息技術。信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術3部分組成。測量技術是關鍵和基礎。”測量技術是建立在儀器技術的基礎之上，這些都是非常精辟的論述。

大量事實表明，誰掌握或者擁有最先進的科學儀器，誰就有可能作出最先進、最杰出的科研成果；強大的科技創新能力的基礎，是科學儀器和測量方法的創新。科學史上及諾貝爾物理學和化學獎的事實表明，約有1/3是獎給那些在創新與發展科學儀器或測量方法方面有杰出貢獻的科學家(圖1、2、3、4)。由此足見分析測試以及儀器創新在人類科學技術和社會發展中的重要性。

我本人是學化學的。1956年考入南京大學化學系，1958年進入新成立的放射化學專業，邊學習邊工作。1960年提前畢業留校轉入分析化學專業任教后又去物理系進修。在這些轉換的過程中，讓我有幸學習了多門無線電電子學課程、核物理、數理方程、脈沖電路等課程，奠定了較厚實的數理基礎。早在學生時代就裝成過測量放射性劑量的儀器，這對我在其后的教科生涯中得益良多。在上個世紀60年代，我參加工作后曾搞過一段較長時間的儀器研制。50多年的經歷，我深刻理解儀器研究的重要性，特別是原創性科學儀器，這對科學發展是一項非常重要的工作。

圖3 2014年諾貝爾化學獎“超分辨熒光顯微鏡”

圖4 2017年 冷凍電鏡技術獲獎者

王大珩院士在十幾年前曾講過，科學儀器是認識世界的重要工具，凝聚著人類的智慧，并成為科學研究的物質基礎。但儀器儀表往往被看作科研和工業生產的配角，其實它早已成為我國科技發展和提升工業產品質量的核心組成部分，作用舉足輕重。事實證明，中國科技實力和經濟發展的“咽喉”，部分地被卡在儀器儀表這一關上。王大珩院士的呼吁充分反映了一大批科學技術界有識之士的心聲，發展儀器儀表、分析測試、測控技術等以及相關學科集成交叉的重要性不言而喻，這對我國科技創新以至諾貝爾獎的問鼎都有直接的關系。

21世紀之初，方肇倫和我亦曾提出發展生命分析儀器的具體方案，稱為《張衡工程》，并經科學院學部(院士局)以《張衡工程》呈報國務院主管部門，建議將國外進口儀器關稅收入的一部分用來補貼研制科學儀器的資金。后來，終因海關進出口金額巨大，而科學儀器占比數又小，統計和執行困難而止步。

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。這是我國科學儀器創新與發展的強大動力。國家科技部、基金委等采取措施大力支持鼓勵儀器創新都是非常正確的。

2 我國迫切需要發展原創性科學儀器

夏：在科學儀器研制方面我們國家目前的情況如何？

陳：當今世界以信息和生命科學為龍頭的科學技術，已成為經濟社會發展的最強大推動力；科學技術已成為綜合國力競爭的決定因素。當前，我國在作為科技發展基礎的科學儀器與裝備方面與科技發達國家的差距很大，對科技發達國家的依賴性過大，對于應對可能出現的遏制的抗衡能力脆弱。迄今，我國每年形成固定資產的上萬億元投資中，60%以上用于進口設備，且關鍵的高端精密儀器主要依賴進口。以分析檢測儀器為例，近年來我國的銷售額僅占全球銷售額的0.3%，而且絕大部分為中低檔產品，高端儀器裝備，如色譜—質譜儀、核磁共振波譜儀、等離子體質譜儀、電子能譜儀、透射和掃描電鏡、自動生化分析儀和核酸測序儀等，則全部依靠進口。

在生物醫學儀器方面，我國對進口的依賴程度更為嚴重，現在省、市級醫院的臨床生化檢驗很少使用國產儀器。我國大型醫療設備與儀器的市場主要被美、德、日等國家的跨國公司占有。我國弱小的生物醫學儀器行業更是舉步維艱，正面臨著空前嚴峻的生存考驗。

目前我們的國家實驗室和國家重點實驗室已全被國外高級儀器充滿，高端醫療儀器則被國外壟斷。有人說，我們每個國家級項目的立項，就意味著又有一大筆資金外流。

同時，我國科學儀器產業受到嚴重挑戰，科學儀器隊伍日顯萎縮。搞科學儀器研究的得到經費少、研究周期長，沒人愿意去做。我國科學研究進一步發展，面臨著“空心化”、“局域化”、“二流化”等挑戰。我們搞科學研究依賴國外的科學儀器，研究生用的大都是進口的傻瓜式儀器，只用它來作實驗、發文章，有的人連儀器的原理都不知道。固然，我們用別人的儀器也能作出原創性成果，也能驗證我們的想法，但卻不能作出世界頂級的、重大原創成果，更談不上全面、綜合地研究出一流的科學儀器和測試方法。

有人說，我們在科學儀器制造領域將淪為“半殖民地”或“殖民地”的險境。“半殖民地”就是我們自己還搞一點改進，或自己研制一些。“殖民地”就是完全買別人的儀器，這一領域全被人家占了！這種說法雖然未免聳人聽聞，不過卻很形象，我們科學儀器的振興確已到了刻不容緩的地步！相應科技政策的出臺和保證實施已經勢在必行！

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與裝備, 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。

夏：根據這種情況應如何解決我國科學儀器水平和發展問題？

陳：國家科技部和自然科學基金委在推動我國科學事業的進步，推動科研隊伍壯大方面都起著非常大的作用。基金委設立科研儀器基礎研究專項和部委推薦重大科學儀器專項是很有遠見的戰略措施。我相信，投入資金短缺的問題會逐漸好轉。科學儀器基礎研究是一項長期的戰略任務，我們希望國家科技部和自然科學基金委加大對科學儀器專項的資助面和相應力度，各大塊保持合理的平衡，建立新的評估體系，建立一支穩定的科學儀器基礎研究隊伍。

科學儀器上的創新往往是實現原始創新的捷徑。目前，科學儀器的發展正面臨著難得的歷史性機遇。進入21世紀，生命科學的發展極大推動了相關科學儀器的發展，在細胞和分子水平上對生命現象的進一步研究要求新一代的測試儀器。我們在譜儀等大型儀器上短期內很難超過國外，但部分生化儀器上則可以超越。生物體內的物質代謝、能量代謝與信息傳遞的研究中對分析的要求是原位、在體、實時、超痕量，對分析測試儀器的要求則是微型、便攜、超高速、超靈敏及高度自動化。這就要求一些基于全新原理的科學儀器的面世，這對我們來說是個實現跨越式發展的機會。

發展基于新理論、新概念、新方法和新技術的分析測試方法與測試儀器，包括高端分析方法的建立，航空、航天、太空、深海、潛艇，極端條件(超低溫、超高溫、超強度、失重的、高真空等等)下的分析測試的完成。在單細胞、單分子、納米生物技術、藥物輸運的監控，生命的禁區，在極端條件下分析儀器裝置測試的可靠性，修飾針尖上檢測生物大分子等。研究先進成像技術；細胞生命過程的活體分析；納米技術的生物應用、醫學應用；納米技術的安全性問題等等方面，都存在很大的創造空間。

當然，整個科學儀器領域水平的提高涉及方方面面的問題，國家有關領導部門的高度重視，一定會推進這一領域的加快發展。

(未完待續)