科學儀器是科技進步之利器(三)
——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)

4.3 以學科交叉整體觀，溯源物質世界本來面目

夏：你們是如何攻破這些難關的？

陳：共聚焦熒光顯微技術是目前最主要的單細胞分析手段，空間分辨率在250 nm左右，時間分辨率在毫秒級，無法同時滿足對時間、空間分辨的要求。研究生物分子相互作用動力學，需要低于微秒級的時間分辨率，而共聚集熒光顯微技術的時間分辨率不能達到這個要求，解決細胞中生物分子高時空分辨的動態監測，必須另辟蹊徑。

我們提出一種以納米級電化學探針為核心，利用納米級電化學探針的天然多重特性，將電化學、光學和質譜技術集成在一個微工作平臺上，融合微流控芯片、耦聯光學-質譜技術發展全新的單細胞分析儀器。

項目自始至終以“科學與工程控制論”的整體觀，將生命、物理、化學、信息等學科的交叉性，各種物理場及物質相互作用的非線性，電子遷移、能量交換、物質輸運等在特定過程的一體性和矢量性等基元有機融合，突破局部掩全局和一葉障目的局限，溯原物質世界的“本來面目”，實現項目既定目標。這是實施項目總體指導思想和技術路線上的革新與創新。

項目執行方針采取兩條腿走路，以問題引導儀器的完善，以儀器性能的進一步改良促進問題的解決；一邊研制，一邊研究，一邊解決。目前，該儀器已經過國家自然科學基金委組織專家順利完成驗收。

圖10 儀器總體實施方案示意圖

儀器的技術指標見表1。

表1 儀器的技術指標

我們的技術核心，一是高時間分辨與高空間分辨：高時間分辨(電化學檢測10 μs，光譜檢測5 μs)；高空間分辨(電化學檢測30 nm，質譜檢測400 nm)；質量檢測下限達到amol量級；

另一個核心是將電化學、光學、質譜3種方法融合于一體。儀器實體外觀照片見圖11，儀器的總體結構見圖12，儀器控制構架見圖13。

圖11 單細胞時空分辨分子動態分析系統儀器實體外觀照片

圖12 儀器的總體結構圖

圖13 儀器控制構架圖

這個儀器可以解決許多問題，也促進了我們對生命分析化學基本問題的認識和思考：生命的活動過程不僅在于物質的演變，還包括能量和信息的傳遞；能在nm級的空間、微-納秒時間內獲得細胞內生物分子相互作用過程中的電荷、能量、物質的變化和分布，則將有利于揭示細胞內未知規律，獲得重要的科學發現，產生原創性的研究成果。單就儀器性能而言，這個分析系統在國際上率先耦合了納米電化學、光學和極紫外光解吸/電離質譜技術優點于一體的耦合集成，從而大大提高了單細胞分析的靈敏度和時空分辨能力，可以定量分析單個細胞器(例如溶酶體等)中蛋白活性；質譜成像系統的VUV解吸/電離質譜單細胞成像部分與商品化SIMS儀器的比較，本方法的分子碎片少，靈敏度高，利于分子的重構，優于常規紫外光解吸/電離以及SIMS(Bi3+源)方法，實現了400 nm的空間分辨，其他指標也都可與國外同類儀器媲美，例如比VUVDI方法的離子產率、碎片和圖像對比度均有明顯提高。

夏：目前你們在研究什么新的問題？

陳：腦是認知過程的載體，是意識與思維活動的中心，腦活動相關分子的產生、信息傳輸與轉化過程是形成感知、思維等復雜腦功能的物質基礎。美國、歐洲、日本、韓國都啟動了腦科學研究計劃，中國也是如此。

因為有了上面那個項目的支撐，南京大學啟動了“卓越計劃”對我們持續支持，旨在研究記憶的分子基礎，研究意識和記憶存在的物質基礎是什么？即：

(1) 腦功能和化學信號之間是如何精準關聯匹配的？

(2) 腦功能攜帶的化學信息是什么，存在編碼嗎？

(3) 化學信息是如何存儲的，介質是什么，存儲規則是什么？

(4) 如何實現對腦功能的精準調控？

……

諸如此類的問題都是我們研究的對象。而腦功能的重要部分是記憶，“人腦的記憶之謎”是屬于最難破解的“科學之謎”之一。這個研究計劃正在進行中。

5 加強科學儀器管理，促進科技創新

夏：您對科學儀器管理還有什么建議？

陳：對于科學儀器，不論是原有的，還是新創建的，要注重如何更廣、更深地促進基礎研究。科學研究儀器平臺建設完成后，對它的后期維護、共享管理和長期的維持很重要。其次，針對儀器裝置使用的在研項目和后續支持也應加強。還有就是要注重儀器創新的轉化工作，將成熟的技術轉向實際應用，演變成新的儀器設備或檢測儀器。例如我們研究組將自己研制的單細胞電化學分析儀已初步產業化，這套設備可以測量單細胞中小分子的濃度和酶分子的活性。我們國家每年投入大量科研經費，很大一部分用于科研設備采購，作為分析科學工作者，研制國家自主產權的儀器，通過技術創新帶動科技進步，我們責無旁貸。

6 教學與科研相互促進，加強人才能力培養

夏：最后想問一句，在完成重大科研任務的同時，對教學任務如何平衡？

陳：我們高校的根本任務是培養優秀人才。如何平衡高校的教學與科研值得重視，我認為教學與科研是衡量一所高校水平的兩大板塊，也是教師職稱評審和成果考核的兩個方面。就好比教學是刀背，科研是刀鋒；沒有刀背的支持，刀鋒就會卷刃。科研成果固然更易顯現和量化，而教學效果卻難以在短時間內凸顯，但教學質量的高低直接影響著人才培養的質量。教師職稱和科研成績考評，長期以來普遍側重科研成果，其中又以論文指標為先，這種偏頗情況如果不及時扭轉，高質量人才的培養就會落空。

通過教材編寫水平、與學生互動情況以及學生成績等方式，教學成果可以得到有效衡量。近年來，許多高校都在不斷改進教師考評體系，并一再強調優秀教師站在教學第一線，目的即在于此。南京大學設置了教學崗的教授與副教授，并設立數額巨大的獎教金，重獎教學優秀的教師，還為教師提供良好的科研平臺和啟動經費，以此改變以往重科研、輕教學的考評氛圍。

科研與教學應是相互促進的關系，要讓科研任務帶動教學的改進。比如，分析化學的前沿領域需要綜合性人才，不僅要掌握化學的基本原理，同時還要具備物理、生物、電子等相關學科的知識。分析儀器行業的人才也一樣，需要電子、機械、力學等數理化各方面的知識。為了科研發展的需要，就需要改進課程設置，提高教師水平。同時，在讓學生樹立“人生價值是奉獻”的人生觀和價值觀，掌握堅實的基礎理論和專業知識基礎上，要加強對學生能力的培養。以分析化學為例，我認為分析化學需要綜合性的人才，知識面要廣、動手能力要強。而現在很多大學的研究生發幾篇論文就可以畢業，缺少應用和實踐經驗，這是亟須改進的。然而，許多學校在分析化學專業的課程設置中把電子學、物理等課程都砍掉了，這是分析化學人才培養方面的一個很大的缺陷。

現在大學的教科書越編越厚，但內容很不簡明，沒有提綱挈領的東西，點不到要害。結果導致學生學的知識繁瑣而缺乏條理，枝枝節節講得很細，舍本逐末，掌握不了全局的知識結構，影響了學生的創造性思維;而且對相關學科關心太少。我們在教學的過程中要采用比較簡明的方法來說明深奧的問題，提綱挈領，擴大學生的知識面，目的在于引起學生的思考，啟發學生，而不是機械地去要求;我們要培養和提高學生的分析和綜合的能力，爾后才能有解決問題能力的提高。

學習是分學科的，專業也是分學科的，但是工作的時候不管是哪個學科，解決問題都是綜合的。所以，不管是在學校的學生，還是已經畢業工作的同學，在學習的過程中都要把知識面鋪開，廣泛涉獵并掌握相關學科的知識和技能。

最后，再講兩句：

窮究物性，敢為人先，勇于攀登，嚴謹求實，為開拓創新之首；

心系祖國，團結協同，激勵奮進，志在奉獻，為付諸行動之根。

我想用這兩句話跟戰斗在實驗室的同志們共勉。為實現中華民族的偉大復興，共同奮斗！

夏：非常感謝陳院士在百忙中接受采訪，祝陳院士研究團隊在科學研究和科學儀器創新上再鑄輝煌！

鏈接：

陳洪淵(1937-)，男，浙江三門縣人，教授，中國科學院院士(2001年當選)，美國化學會會士(2017年當選)。1961年畢業于南京大學化學系，留校任教。1981～1984年為聯邦德國Mainz大學訪問學者，其后曾分別獲德國DFG、DAAD、VW-Stiftung等基金的資助，多次以訪問教授或客座教授進行中短期的合作研究。

現(歷)任：南京大學教學委員會副主任、校學術委員會委員、院學術委員會主任、分析科學研究所所長，生命分析化學國家重點實驗室學術委員會主任和榮譽主任。兼(歷)任：教育部科技委委員、化學化工學部主任，科技委學風建設委員會副主任；全國測試協會副會長；中國質譜學會理事長；中國化學會常務理事、分析化學委員會副主任；江蘇省化學化工學會理事長；江蘇省質量協會、學會副理事長；《Science in China》《中國科學 化學輯》《高等學校化學學報》《Chem. Res. in Chin. Univ.》四刊副主編；《化學進展》《分析科學》《色譜》等雜志的編委或顧問編委、《實驗室研究與探索》高級顧問；《質譜學報》《分析科學學報》主編；北京大學、清華大學、南開大學等兼職教授。歷任：中國科學院化學學部常委；國家最高科學技術獎勵委委員和評委；國家自然科學獎勵委成員和評委；國家自然科學基金委、學部、學科評委；若干國家重點實驗室學術委員會主任等。曾任《國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)》電化學委員會國家代表(1991～1994年)。 長期從事電化學分析基礎、仿生催化、生物電化學、化學生物學和微全分析系統等領域的研究。主持完成了國家、省部委和國際合作科研項目40多項。迄今已發表論文930余篇, H因子為92；專利30余項；合編著譯書6冊，百科全書或專著4專章；《21世紀化學叢書》和《10 000個科學難題(化學輯)》主編。曾獲：國家自然科學二等獎(2007年)、何梁何利科技進步獎(2006年)、國家自然科學三等獎(1982年)、全國科學大會獎(1978年) 各1項，教育部自然科學一等獎(2001、2006年)2項，國家教委(1998年)與教育部(1999年)科技進步三等獎各1項。2004年評為全國模范教師；2005年評為全國先進工作者，獲全國“五一”勞動獎章；2015年獲《Nature》杰出導師終身成就獎。

主研方向：仿生催化、生物電化學、化學生物學、納米和超分子電化學、超微電極與生物分子電子器件、微全分析系統、分析儀器等。