5月26日，作為中國(guó)高等教育博覽會(huì)（2019·春）的主旨論壇之一，由中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理工作分會(huì)、福建工程學(xué)院、國(guó)藥勵(lì)展展覽有限責(zé)任公司承辦的第二屆高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展論壇順利召開(kāi)。中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、教育部原黨組書記、副部長(zhǎng)杜玉波，教育部高等教育司副司長(zhǎng)徐青森，中國(guó)科學(xué)院院士、教育部長(zhǎng)江特聘教授、北京大學(xué)教授、中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理工作分會(huì)理事長(zhǎng)程和平，南京大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)士陳洪淵等專家出席會(huì)議。
中科院院士、南京大學(xué)教授陳洪淵
會(huì)上，陳洪淵院士做了題為《科學(xué)儀器：窮究物性、攻堅(jiān)克難的利器》專題演講。以下為演講內(nèi)容：
首先熱烈祝賀中國(guó)高等教育博覽會(huì)2019·春大會(huì)順利召開(kāi)！本次演講的主題是《科學(xué)儀器：窮究物性、攻堅(jiān)克難的利器》，我將從原始性創(chuàng)新與科技進(jìn)步、科學(xué)儀器與科技進(jìn)步、儀器研發(fā)中的心得體會(huì)三個(gè)方面闡述本次專題。
一、原始性創(chuàng)新與科技進(jìn)步
原始性創(chuàng)新是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)行與社會(huì)進(jìn)步的法寶，是科教興國(guó)的靈魂，也是國(guó)家民族振興的靈魂。李克強(qiáng)總理在2019年3月5日政府工作報(bào)告中說(shuō)到：提升科技支撐能力；加大基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究支持力度，強(qiáng)化原始創(chuàng)新，加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，健全以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研一體化創(chuàng)新機(jī)制。
創(chuàng)新是科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，它將推動(dòng)分析化學(xué)的發(fā)展和變革，而分析化學(xué)的發(fā)展又將作用于科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)?；瘜W(xué)和物理學(xué)等諾貝爾獎(jiǎng)的得主中，約有1/3到1/4是提出創(chuàng)新測(cè)試方法的科學(xué)家，由此足見(jiàn)分析測(cè)試在人類科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展中的重要性。儀器創(chuàng)新是推動(dòng)科技發(fā)展的動(dòng)力，科學(xué)史上超過(guò)1/3的諾貝爾獎(jiǎng)授予了新儀器發(fā)明創(chuàng)造，國(guó)家、科技部、基金委等也大力支持鼓勵(lì)儀器創(chuàng)新。
要?jiǎng)?chuàng)新，首先還要需要觀念上的更新。我國(guó)科學(xué)界有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一種重科學(xué)輕技術(shù)的現(xiàn)象?？茖W(xué)與技術(shù)本是一對(duì)孿生兄弟，密不可分。固然這二者各有側(cè)重，但兩者互相依存，互為因果。分析化學(xué)家更需要敬業(yè)、執(zhí)著，沖破禁錮，解放思想，自強(qiáng)不息，大膽創(chuàng)新?！皠?chuàng)新”從某種意義上說(shuō)是長(zhǎng)期潛心、執(zhí)著研究的積累在特定情況下的閃光，掀翻束縛而在目標(biāo)方向上的突破，使科學(xué)和技術(shù)有了跳躍式的前進(jìn)。創(chuàng)新既不憑空想象也不靠運(yùn)氣，而必然孕育出積累，而后才能產(chǎn)生靈感和躍進(jìn)。創(chuàng)新是“十年磨一劍”的結(jié)果，甚至要花畢生的精力。
創(chuàng)新是學(xué)科建設(shè)的內(nèi)涵和支撐，要樹(shù)立以人為本，兼收并蓄，服務(wù)為先的理念。以人為本就是要尊重人才，愛(ài)惜人才，支持科學(xué)家進(jìn)行好奇心驅(qū)動(dòng)下的情有獨(dú)鐘的研究，以尋求新發(fā)現(xiàn)；鼓勵(lì)探索，寬容失?。缓霌P(yáng)科學(xué)精神，提倡學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴，廣開(kāi)言路，保護(hù)不同意見(jiàn)；構(gòu)建創(chuàng)新環(huán)境和營(yíng)造創(chuàng)新文化。服務(wù)為先就是把解決問(wèn)題放在第一位，既要搞基礎(chǔ)研究，同樣也要增強(qiáng)為社會(huì)服務(wù)的意識(shí)；對(duì)于原始性創(chuàng)新，也不能游離于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程之外，應(yīng)緊緊圍繞現(xiàn)代化建設(shè)的需要展開(kāi)科技攻關(guān)，積極將自己的科技成果轉(zhuǎn)移到新的領(lǐng)域，或轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。
21世紀(jì)的生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)和能源科學(xué)等領(lǐng)域迫切地要求分析化學(xué)發(fā)展各種新的測(cè)量和表征手段以解決其疑難問(wèn)題，尤其是作為本世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的中心和主導(dǎo)科學(xué)的生命科學(xué)?；谄溲芯矿w系的復(fù)雜性，分析化學(xué)面臨巨大的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，分析化學(xué)與生命科學(xué)等領(lǐng)域的專家密切合作，進(jìn)行學(xué)科的交叉，增強(qiáng)“介人”的觀念，沖破禁錮和傳統(tǒng)的束縛，解放思想，更有利于我們躋身去爭(zhēng)取和承擔(dān)國(guó)家的任務(wù)和交叉到其他學(xué)科領(lǐng)域去充當(dāng)參與者的角色，進(jìn)一步拓寬創(chuàng)新的道路，擴(kuò)大創(chuàng)新的視野。
二、科學(xué)儀器與科技進(jìn)步
事實(shí)上，沒(méi)有自己創(chuàng)新出來(lái)的儀器設(shè)備很難獲得世界一流的突破性、變革性的成果。我國(guó)的分析儀器制造業(yè)與先進(jìn)國(guó)家的水平差距甚大，大部分高級(jí)、大型的分析測(cè)試儀有賴于進(jìn)口。在當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)的時(shí)代，如果我們沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和裝備，如果我們的科學(xué)儀器（包括分析儀器）產(chǎn)業(yè)不及時(shí)趕上，不僅影響科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，亦必將危及經(jīng)濟(jì)甚至國(guó)家安全。分析化學(xué)家需要時(shí)刻記住二個(gè)“轉(zhuǎn)化”：第一個(gè)是把科學(xué)技術(shù)的新成就包括一切創(chuàng)新的理念轉(zhuǎn)化為定型的分析測(cè)試方法；第二是把分析方法轉(zhuǎn)化為儀器裝置。
分析儀器水平的提高受制因素很多，可謂積重難返，根本問(wèn)題的解決帶有綜合性和全局性。但無(wú)論如何，我仍然從戰(zhàn)略高度鼓勵(lì)更多的分析化學(xué)家與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覕y手積極從事、參與分析儀器的研制與進(jìn)步?；鹞涂萍疾棵嫦蚩茖W(xué)前沿和國(guó)家需求，以科學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，鼓勵(lì)和培育具有原創(chuàng)性思想的探索性科研儀器研制，著力支持原創(chuàng)性重大科研儀器設(shè)備研制，為科學(xué)研究提供更新穎的手段和工具，以全面提升我國(guó)的原始創(chuàng)新力。
三、儀器研發(fā)中的心得體會(huì)
我也承擔(dān)了一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科學(xué)儀器研制專項(xiàng)——“單細(xì)胞時(shí)空分辨分子動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)”。這個(gè)項(xiàng)目由南京大學(xué)牽頭，清華大學(xué)、東南大學(xué)、醫(yī)科院藥物所等一起合作。
這項(xiàng)儀器的科學(xué)意義在哪里呢？單細(xì)胞分析是生命科學(xué)向微觀探索的一個(gè)重要標(biāo)志，對(duì)探究生命過(guò)程的本質(zhì)與重大疾病起源均有重大意義。2012年，Science而將單細(xì)胞相關(guān)研究列為2013年六大重點(diǎn)科學(xué)研究之首。2013年，Science展望單細(xì)胞為21世紀(jì)生命科學(xué)研究的主要趨勢(shì)和突破口。我國(guó)著名細(xì)胞生物學(xué)家陳宜張?jiān)菏康瓤茖W(xué)家在科研前沿論壇（2012）上同聲呼吁：急需解決細(xì)胞學(xué)物學(xué)中的重大問(wèn)題，歸納起來(lái)主要有生物分子的單分子特性，細(xì)胞內(nèi)生物分子的定位、定性與定量，細(xì)胞內(nèi)生物分子的相互作用動(dòng)力學(xué)和特異分子標(biāo)記物等。無(wú)論是認(rèn)識(shí)生命還是改善生命質(zhì)量首先要了解生物化學(xué)的基礎(chǔ)，把生命理解成化學(xué)，所有的生命體都有一個(gè)共同的語(yǔ)言，這個(gè)語(yǔ)言就是化學(xué)，我們要用單細(xì)胞來(lái)研究。
細(xì)胞生理過(guò)程涉及多種生物分子（一般10種以上）在細(xì)胞局部空間的協(xié)同作用。因此，要求分析儀器能夠以納米尺度和毫秒（微秒）級(jí)的時(shí)間分辨，對(duì)多種生物分子同時(shí)檢測(cè)，闡明這些分子時(shí)空分布與細(xì)胞功能之間的關(guān)系。一個(gè)細(xì)胞里的生物分子平均濃度和局部濃度有很大差異，因此時(shí)空分辨十分重要。
此外，對(duì)細(xì)胞里內(nèi)部的溫度、壓力、PH值以及環(huán)境黏度等基本物化特性的測(cè)量，有助于更好認(rèn)識(shí)細(xì)胞功能及生命過(guò)程的物化本質(zhì)。從生命角度看，合適的溫度是生命維持的保證；從化學(xué)角度看，溫度是影響化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要物理量；因此要檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)部的溫度分布是不是均勻？細(xì)胞不同位置的傳熱特性有無(wú)區(qū)別？而壓力是影響細(xì)胞形態(tài)及細(xì)胞功能的重要物理量，細(xì)胞在需要合適的滲透壓下維持其功能。細(xì)胞內(nèi)一些酶需要在特定的PH值下發(fā)揮活性，細(xì)胞內(nèi)的PH值分布不是均勻的，如溶酶體內(nèi)是酸性的，因此，精確測(cè)量細(xì)胞內(nèi)部的PH值非常重要。細(xì)胞內(nèi)部的分子是非常擁擠的，細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)是由多種分子混合成的“泥漿”，這個(gè)“泥漿”的黏度對(duì)于維持細(xì)胞活性也很重要，這些都是我們要分析的。
從化學(xué)視野看，生命過(guò)程是多層次、多元的、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的綜合體現(xiàn)；包括電荷傳遞、能量轉(zhuǎn)移、物質(zhì)交換、價(jià)鍵變化、構(gòu)想改變、分子相互作用等。對(duì)細(xì)胞內(nèi)這些過(guò)程的精準(zhǔn)測(cè)量有助于更深理解生命的化學(xué)本質(zhì)，揭示異常生命現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)秉根源。迄今為止，我們對(duì)生命過(guò)程化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還很有限，要解開(kāi)這些未知之謎，亟需發(fā)展新型的單細(xì)胞時(shí)空分辨分析儀器。
共聚焦熒光顯微技術(shù)是目前最主要的單細(xì)胞分析手段，空間分辨率在250nm左右，時(shí)間分辨率在毫秒級(jí)，無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)時(shí)間、空間分辨的要求。研究生物分子相互作用動(dòng)力學(xué)，需要高于微秒級(jí)的時(shí)間分辨率，而共聚集熒光顯微技術(shù)的時(shí)間分辨率不能達(dá)到這個(gè)要求，解決細(xì)胞中生物分子高時(shí)空分辨的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，必須另辟蹊徑。
我們提出一種以納米級(jí)電化學(xué)探針為核心，利用納米級(jí)電化學(xué)探針的天然多重特性，將電化學(xué)、光學(xué)和質(zhì)譜技術(shù)集成在一個(gè)微工作平臺(tái)上，融合微流控芯片、耦聯(lián)光學(xué)-質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展全新的單細(xì)胞分析儀器。項(xiàng)目自始至終以“科學(xué)與工程控制論”的整體觀，將生命、物理、化學(xué)、信息等學(xué)科的交叉性，各種物理場(chǎng)及物質(zhì)相互作用的非線性，電子遷移、能量交換、物質(zhì)輸運(yùn)等在特定過(guò)程的一體性和失量性等基元有機(jī)融合，突破局部掩全局和一葉障目的局限，溯原物質(zhì)世界的“本來(lái)面目”，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目既定目標(biāo)。這是實(shí)施項(xiàng)目總體指導(dǎo)思想和技術(shù)路線上的革新與創(chuàng)新。
項(xiàng)目執(zhí)行方針采取兩條腿走路，以問(wèn)題引導(dǎo)儀器，以儀器促進(jìn)問(wèn)題，一邊研制，一邊研究，一邊解決。這個(gè)儀器正在準(zhǔn)備驗(yàn)收。我們技術(shù)核心是時(shí)間分辨、空間分辨，包括高空間分辨（電50nm，質(zhì)500nm）、高時(shí)間分辨（10us）一個(gè)核心和電華、光學(xué)、質(zhì)譜三種方法。
這個(gè)儀器可以解決許多問(wèn)題，也促進(jìn)了我們對(duì)基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和思考：生命的活動(dòng)和過(guò)程不僅在于物質(zhì)變遷，還包括能量和信息的改變；如果能在nm空間、ns時(shí)間內(nèi)解析細(xì)胞內(nèi)電荷、能量、物質(zhì)的分布和變化，則能揭示未知規(guī)律，作出原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。腦是認(rèn)知過(guò)程的載體，是意識(shí)與思維活動(dòng)的中心，腦活動(dòng)相關(guān)分子的產(chǎn)生、信息傳輸與轉(zhuǎn)化過(guò)程是形成感知、思維等復(fù)雜腦功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)都啟動(dòng)了腦科學(xué)研究計(jì)劃，中國(guó)也是如此。因?yàn)橛羞@個(gè)項(xiàng)目支撐，南京大學(xué)搞了一個(gè)卓越計(jì)劃，研究記憶的分子基礎(chǔ)。意識(shí)和記憶存在的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？腦功能和化學(xué)信號(hào)之間是如何精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)匹配的？腦功能的化學(xué)信息是什么，存在編碼嗎？化學(xué)信息是如何存儲(chǔ)的，介質(zhì)是什么，存儲(chǔ)規(guī)則是什么？諸如此類的問(wèn)題都是我們研究的對(duì)象。
2018年6月，兩院院士大會(huì)的《寄語(yǔ)》是窮究物性，敢為人先，勇于攀登，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，為開(kāi)拓創(chuàng)新之首；心系祖國(guó)，團(tuán)結(jié)協(xié)同，激勵(lì)奮進(jìn)，志在奉獻(xiàn)，為付諸行動(dòng)之根。我想用這兩句話跟年輕的同志共勉，愿與同仁共勉奮斗，實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，謝謝大家！
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