科學儀器是科技進步之利器(二)
——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)

3 更新理念促進原始性創新

夏：您講到科學儀器上的創新是實現原始創新的捷徑，在實踐中應如何來體現創新？

陳：對于創新，我覺得總體上要瞄準目標，基礎研究要頂天，開發應用要立地；改變以往孤立的“點狀”目標，形成整體性創新“鏈條”，把各自分割狀態的“點”變成相互協作和合作聯系的“創新鏈”。這樣有利于整體創新，有利于創新推動科學和技術的發展。國家重視，制定政策，給科學儀器發展提供了創新的條件。但我們對創新還必須有正確的理念和認識。

3.1 思想觀念

首先，從思想觀念上對創新要有正確認識：

(1) 不可偏廢。在我國科學界有時也會出現一種重科學輕技術的現象。科學與技術本是一對孿生兄弟, 密不可分。固然這二者各有側重, 但兩者互相依存, 互為因果。對技術不可偏廢。

(2) 敬業執著。對于科學家尤其是分析化學家更需要敬業、執著, 沖破禁錮, 解放思想,自強不息, 大膽創新。“ 創新”從某種意義上說是長期潛心、執著研究的積累在特定情況下的閃光, 掀翻束縛而在目標方向上的突破, 使科學和技術有了跳躍式的前進。既要有嚴謹細致、務實的工作作風，還要培養對新鮮事物的好奇心、自由暢想和堅韌不拔的意志，這些都是創新不可或缺的條件。

(3) 正確思維。建立正確的思維方法十分重要。既要有正確的邏輯思維，又要有直覺思維，還要有逆向思維。這是窮究科學真理、實現發明創造的鑰匙。

(4) 重在積累。創新既不憑空想象也不靠運氣, 而必然孕育于積累, 而后才能產生靈感和躍進，是“十年磨一劍” 的結果, 甚至要花畢生的精力。

3.2 創新理念

其次，要認識到創新作為學科建設的內涵和支撐，必須樹立“ 以人為本、兼收并蓄、服務為先”的創新理念。

(1) 以人為本。就是要: 尊重人才、愛惜人才; 支持科學家進行好奇心驅動下和情有獨鐘的研究, 以尋求新發現; 鼓勵探索, 寬容失敗; 弘揚科學精神, 提倡學術爭鳴, 廣開言路, 保護不同意見; 構建創新環境和營造創新文化；提倡團結、協作的團隊精神。

(2) 服務為先。就是把解決問題放在第一位, 即使是搞基礎研究, 同樣也要增強為社會服務的意識; 對于原始性創新, 也不能游離于國民經濟發展的進程之外, 應緊緊圍繞現代化建設的需要開展科技攻關, 積極將自己的科技成果移植到新的領域, 或轉化為現實生產力, 為經濟建設服務。

(3) 緊跟時代。21 世紀的生命科學、環境科學、材料科學和能源科學等領域迫切地要求分析化學發展各種新的測量和表征手段以解決其疑難問題。尤其是作為本世紀科學發展的中心和主導科學的生命科學, 基于其研究體系的復雜性, 使分析化學面臨巨大的挑戰。創新應緊跟時代的發展。

(4) 學科交叉。當前分析化學與生命科學等領域的專家密切合作, 進行學科的交叉, 增強 “介人” 的觀念, 沖破禁錮和 “傳統” 的束縛, 解放思想, 更有利于我們躋身去爭取承擔國家的任務和交叉到其他學科領域去充當參與者的角色, 進一步拓寬創新的道路, 擴大創新的視野。

4 積極參加國家重大科研儀器設備研制專項

4.1 提高使命感，潛心儀器創新

夏：當前應如何進行科研儀器設備的創新？

陳：分析儀器水平的提高受制因素很多，可謂積重難返，根本問題的解決帶有綜合性和全局性。但無論如何, 從戰略高度應鼓勵更多的分析化學家與相關領域專家攜手積極從事、參與分析儀器的研制和開發。

國家自然科學基金委和科技部面向科學前沿和國家需求，以科學目標為導向，鼓勵和培育具有原創性思想的探索性科研儀器研制，著力支持原創性重大科研儀器設備的研制，為科學研究提供更新穎的手段和工具，這將會全面提升我國的原始創新能力。

而作為分析化學家應牢記自己的使命。我們需要時刻記住二個“ 轉化”的使命: 第一是把科學技術的新成就包括一切創新的理念轉化為定型的分析測試方法; 第二是把分析方法轉化為儀器裝置。

多數分析化學家還仍然只習慣潛心于用現有的儀器設備去尋求新的分離、試測方法以解決面臨的問題, 還不善于把許多創新成果用來創造出新型的測試工具, 以發揮更大的作用，因此我們要提高使命感，為科學儀器創新出力。

夏：你們承擔了國家重大科研儀器設備研制專項，這個項目有何重要意義？項目關鍵是什么？請給我們做些介紹。

陳：好的。分析化學是科學技術的眼睛，是認識事物進而解決問題的工具，是人們獲得物質組成、結構和物質變化過程中時空演變信息的一門科學。在現代科學技術中，伴隨著學科交叉，分析化學與物理學、生命科學、材料科學、環境科學等學科的關系越來越密切。包括分析化學在內的測量科學，是衡量科技發展和國力強弱的重要標志之一。能源、材料、生命、環境和信息等領域的前沿與關鍵問題都需要這個工具來解決。分析化學發展到今天，它的研究對象也發生了極大變化，早已經從一般材料的組成和含量、超純物質的痕量雜質分析，到生命體系中生物小分子、大分子等的成分分析，再到如今的單細胞中單分子、生物大分子及其相互作用的高時空分辨的分析，和活體中的單細胞分析。細胞就像一個小宇宙，每時每刻每處都在發生不停的變化之中，每一微小時間和每一微小空間間隔的生命過程都在發生變化，它是怎么發生的、有什么不同？對健康與疾病-藥物治療有何關系？等等。所以，活細胞和活體的生命分析科學要求時空分辨、信號轉導等的研究，所有這些都關聯著生物分子一系列的相互作用與結構變化過程，這個過程就更加復雜了。

2014年開始我們承擔了一項總經費6 400萬元國家自然科學基金委(部委推薦)重大科學儀器研制專項“單細胞時空分辨分子動態分析系統”，就在做這樣的探索。正如世界上沒有兩片完全相同的樹葉，世界上也沒有兩個完全相同的細胞。單個細胞里發生著什么樣的反應，藥物分子如何鉆進去與細胞中物質起作用？反應產物怎么出來？它們之間有什么差異？等等。這對于我們研究生命過程的本質與重大疾病起源均有重大意義。例如對我們了解癌癥等疾病的致病機理，為實現精準個體化治療提供有價值的信息。而諸如人類意識和記憶的形成、生命的起源等基礎科學問題，也都離不開單細胞分析。單細胞分析并不是只做一個細胞，有時要做大量的單個細胞結果的統計平均，才有生物學意義。目前，我們正在為生命科學與疾病診斷的基礎與應用研究提供有力的方法與技術支撐。

我們南京大學科研團隊合作單位有清華大學、東南大學和中國醫學科學院藥物所。在項目執行過程中，大家非常重視原始創新，要求能溯源物質性質(簡稱“物性”)，從源頭上設計各個實驗方案(圖5)。在這一指導原則的指引下，項目組近百位師生開展了具有高度原創性的科學研究，可見難度之大。

圖5 陳洪淵院士給團隊講解儀器總體設計

4.2 進行單細胞分析，探索微觀生命科學

夏：這個項目的科學價值和難點是什么？

陳：單細胞分析是生命科學向微觀探索的一個重要標志，對探究生命過程的本質與重大疾病起源均有重大意義。2012年，Science將單細胞相關研究列為2013年六大重點科學研究之首。2013年，Science展望單細胞為21世紀生命科學研究的主要趨勢和突破口。在其Single Cell Biology專刊上對生命科學研究發展歸納為：

19世紀，描述推測。由于受限于工具，只能描述現象，推測機理。

20世紀，觀測歸納。實驗技術飛速發展，能夠觀測現象歸納規律。

21世紀，精確詮釋。要求在分子水平精確解析生命過程的化學本質。

我國著名細胞生物學家陳宜張院士等科學家在科研前沿論壇(2012)上呼吁，急需解決細胞生物學中的重大問題，歸納起來主要有：

(1) 生物分子的單分子特性；

(2) 細胞內生物分子的定位、定性與定量；

(3) 細胞內生物分子的相互作用動力學；

(4) 特異分子標記物。

無論是認識生命還是改善生命質量首先要了解生物化學的基礎，把生命理解成化學，所有的生命體都有一個共同的語言，這個語言就是化學，我們要用單細胞來研究。細胞生理過程涉及多種生物分子(一般至少10種以上)在細胞局部空間的協同作用。因此要求分析儀器能夠以納米尺度和毫秒(微秒)級的時間分辨，對多種生物分子同時檢測，闡明這些分子時空分布與細胞功能之間的關系。一個細胞里的生物分子平均濃度和局部濃度有很大差異，因此時空分辨十分重要。

為了有助于更好認識細胞功能及生命過程的物化本質，分析儀器還需要能測量細胞本身的物化特性，包括細胞內部的溫度、壓力、pH值、環境粘度等。

(1) 細胞內部的溫度及其熱傳遞(圖6)：從生命角度看，合適的溫度是生命維持的保證；從化學角度看，溫度是影響化學反應動力學的重要物理量；因此要檢測細胞內部的溫度分布是不是均勻的？細胞不同位置的傳熱特性有無區別？

圖6 細胞內部的溫度及熱傳遞示意圖

(2) 細胞內部的壓力(圖7)。壓力是影響細胞形態及細胞功能的重要物理量，細胞在需要合適的滲透壓下維持其功能。細胞內部的壓力與細胞的健康狀態緊密相關。如何測量細胞內部的壓力？

圖7 細胞內部的壓力示意圖

(3) 細胞內部的pH值(圖8)。細胞內一些酶(如水解酶等)需要在特定的pH值下發揮活性，細胞內的pH值分布不是均勻的，如溶酶體內是酸性的。因此，精確測量細胞內部的pH值非常重要。

(4) 細胞內的環境黏度(圖9)。細胞內部的分子是非常擁擠的，細胞質內是由多種分子混合成的“泥漿”，這個“泥漿”的黏度對于維持細胞活性也很重要，這個粘度是多少？如何測量？都是我們要分析的。

圖8 細胞內部的pH值示意圖

圖9 細胞內的環境黏度示意圖

從化學視野看，生命過程是多層次的、多元的、復雜的化學反應過程的綜合體現。包括：電荷傳遞、能量轉移、物質交換與遷移、價鍵變化、構象改變、分子相互作用等等。

對細胞內這些過程的精準測量，有助于更深理解生命的化學本質；揭示異常生命現象發生的內秉根源。迄今，我們對生命過程化學本質的認識還很有限。

要解開這些未知之謎，亟需發展新型的單細胞時空分辨分析儀器。