夏 有 為

(《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》編輯部， 上海 200030)

4.3 以學(xué)科交叉整體觀，溯源物質(zhì)世界本來面目

夏：你們是如何攻破這些難關(guān)的？

陳：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250 nm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)，需要低于微秒級(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)等在特定過程的一體性和矢量性等基元有機(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，以問題引導(dǎo)儀器的完善，以儀器性能的進(jìn)一步改良促進(jìn)問題的解決；一邊研制，一邊研究，一邊解決。目前，該儀器已經(jīng)過國(guó)家自然科學(xué)基金委組織專家順利完成驗(yàn)收。

圖10 儀器總體實(shí)施方案示意圖

儀器的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 儀器的技術(shù)指標(biāo)

我們的技術(shù)核心，一是高時(shí)間分辨與高空間分辨：高時(shí)間分辨(電化學(xué)檢測(cè)10 μs，光譜檢測(cè)5 μs)；高空間分辨(電化學(xué)檢測(cè)30 nm，質(zhì)譜檢測(cè)400 nm)；質(zhì)量檢測(cè)下限達(dá)到amol量級(jí)；

另一個(gè)核心是將電化學(xué)、光學(xué)、質(zhì)譜3種方法融合于一體。儀器實(shí)體外觀照片見圖11，儀器的總體結(jié)構(gòu)見圖12，儀器控制構(gòu)架見圖13。

圖11 單細(xì)胞時(shí)空分辨分子動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)儀器實(shí)體外觀照片

圖12 儀器的總體結(jié)構(gòu)圖

圖13 儀器控制構(gòu)架圖

這個(gè)儀器可以解決許多問題，也促進(jìn)了我們對(duì)生命分析化學(xué)基本問題的認(rèn)識(shí)和思考：生命的活動(dòng)過程不僅在于物質(zhì)的演變，還包括能量和信息的傳遞；能在nm級(jí)的空間、微-納秒時(shí)間內(nèi)獲得細(xì)胞內(nèi)生物分子相互作用過程中的電荷、能量、物質(zhì)的變化和分布，則將有利于揭示細(xì)胞內(nèi)未知規(guī)律，獲得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生原創(chuàng)性的研究成果。單就儀器性能而言，這個(gè)分析系統(tǒng)在國(guó)際上率先耦合了納米電化學(xué)、光學(xué)和極紫外光解吸/電離質(zhì)譜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體的耦合集成，從而大大提高了單細(xì)胞分析的靈敏度和時(shí)空分辨能力，可以定量分析單個(gè)細(xì)胞器(例如溶酶體等)中蛋白活性；質(zhì)譜成像系統(tǒng)的VUV解吸/電離質(zhì)譜單細(xì)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(gòu)，優(yōu)于常規(guī)紫外光解吸/電離以及SIMS(Bi3+源)方法，實(shí)現(xiàn)了400 nm的空間分辨，其他指標(biāo)也都可與國(guó)外同類儀器媲美，例如比VUVDI方法的離子產(chǎn)率、碎片和圖像對(duì)比度均有明顯提高。

夏：目前你們?cè)谘芯渴裁葱碌膯栴}？

陳：腦是認(rèn)知過程的載體，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)橛辛松厦婺莻€(gè)項(xiàng)目的支撐，南京大學(xué)啟動(dòng)了“卓越計(jì)劃”對(duì)我們持續(xù)支持，旨在研究記憶的分子基礎(chǔ)，研究意識(shí)和記憶存在的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？即：

(1) 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？

(2) 腦功能攜帶的化學(xué)信息是什么，存在編碼嗎？

(3) 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？

(4) 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)腦功能的精準(zhǔn)調(diào)控？

……

諸如此類的問題都是我們研究的對(duì)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(xué)之謎”之一。這個(gè)研究計(jì)劃正在進(jìn)行中。

5 加強(qiáng)科學(xué)儀器管理，促進(jìn)科技創(chuàng)新

夏：您對(duì)科學(xué)儀器管理還有什么建議？

陳：對(duì)于科學(xué)儀器，不論是原有的，還是新創(chuàng)建的，要注重如何更廣、更深地促進(jìn)基礎(chǔ)研究。科學(xué)研究?jī)x器平臺(tái)建設(shè)完成后，對(duì)它的后期維護(hù)、共享管理和長(zhǎng)期的維持很重要。其次，針對(duì)儀器裝置使用的在研項(xiàng)目和后續(xù)支持也應(yīng)加強(qiáng)。還有就是要注重儀器創(chuàng)新的轉(zhuǎn)化工作，將成熟的技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，演變成新的儀器設(shè)備或檢測(cè)儀器。例如我們研究組將自己研制的單細(xì)胞電化學(xué)分析儀已初步產(chǎn)業(yè)化，這套設(shè)備可以測(cè)量單細(xì)胞中小分子的濃度和酶分子的活性。我們國(guó)家每年投入大量科研經(jīng)費(fèi)，很大一部分用于科研設(shè)備采購(gòu)，作為分析科學(xué)工作者，研制國(guó)家自主產(chǎn)權(quán)的儀器，通過技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)科技進(jìn)步，我們責(zé)無(wú)旁貸。

6 教學(xué)與科研相互促進(jìn)，加強(qiáng)人才能力培養(yǎng)

夏：最后想問一句，在完成重大科研任務(wù)的同時(shí)，對(duì)教學(xué)任務(wù)如何平衡？

陳：我們高校的根本任務(wù)是培養(yǎng)優(yōu)秀人才。如何平衡高校的教學(xué)與科研值得重視，我認(rèn)為教學(xué)與科研是衡量一所高校水平的兩大板塊，也是教師職稱評(píng)審和成果考核的兩個(gè)方面。就好比教學(xué)是刀背，科研是刀鋒；沒有刀背的支持，刀鋒就會(huì)卷刃?？蒲谐晒倘桓罪@現(xiàn)和量化，而教學(xué)效果卻難以在短時(shí)間內(nèi)凸顯，但教學(xué)質(zhì)量的高低直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量。教師職稱和科研成績(jī)考評(píng)，長(zhǎng)期以來普遍側(cè)重科研成果，其中又以論文指標(biāo)為先，這種偏頗情況如果不及時(shí)扭轉(zhuǎn)，高質(zhì)量人才的培養(yǎng)就會(huì)落空。

通過教材編寫水平、與學(xué)生互動(dòng)情況以及學(xué)生成績(jī)等方式，教學(xué)成果可以得到有效衡量。近年來，許多高校都在不斷改進(jìn)教師考評(píng)體系，并一再?gòu)?qiáng)調(diào)優(yōu)秀教師站在教學(xué)第一線，目的即在于此。南京大學(xué)設(shè)置了教學(xué)崗的教授與副教授，并設(shè)立數(shù)額巨大的獎(jiǎng)教金，重獎(jiǎng)教學(xué)優(yōu)秀的教師，還為教師提供良好的科研平臺(tái)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，以此改變以往重科研、輕教學(xué)的考評(píng)氛圍。

科研與教學(xué)應(yīng)是相互促進(jìn)的關(guān)系，要讓科研任務(wù)帶動(dòng)教學(xué)的改進(jìn)。比如，分析化學(xué)的前沿領(lǐng)域需要綜合性人才，不僅要掌握化學(xué)的基本原理，同時(shí)還要具備物理、生物、電子等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。分析儀器行業(yè)的人才也一樣，需要電子、機(jī)械、力學(xué)等數(shù)理化各方面的知識(shí)。為了科研發(fā)展的需要，就需要改進(jìn)課程設(shè)置，提高教師水平。同時(shí)，在讓學(xué)生樹立“人生價(jià)值是奉獻(xiàn)”的人生觀和價(jià)值觀，掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。以分析化學(xué)為例，我認(rèn)為分析化學(xué)需要綜合性的人才，知識(shí)面要廣、動(dòng)手能力要強(qiáng)。而現(xiàn)在很多大學(xué)的研究生發(fā)幾篇論文就可以畢業(yè)，缺少應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這是亟須改進(jìn)的。然而，許多學(xué)校在分析化學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置中把電子學(xué)、物理等課程都砍掉了，這是分析化學(xué)人才培養(yǎng)方面的一個(gè)很大的缺陷。

現(xiàn)在大學(xué)的教科書越編越厚，但內(nèi)容很不簡(jiǎn)明，沒有提綱挈領(lǐng)的東西，點(diǎn)不到要害。結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生學(xué)的知識(shí)繁瑣而缺乏條理，枝枝節(jié)節(jié)講得很細(xì)，舍本逐末，掌握不了全局的知識(shí)結(jié)構(gòu)，影響了學(xué)生的創(chuàng)造性思維;而且對(duì)相關(guān)學(xué)科關(guān)心太少。我們?cè)诮虒W(xué)的過程中要采用比較簡(jiǎn)明的方法來說明深?yuàn)W的問題，提綱挈領(lǐng)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，目的在于引起學(xué)生的思考，啟發(fā)學(xué)生，而不是機(jī)械地去要求;我們要培養(yǎng)和提高學(xué)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(xué)習(xí)是分學(xué)科的，專業(yè)也是分學(xué)科的，但是工作的時(shí)候不管是哪個(gè)學(xué)科，解決問題都是綜合的。所以，不管是在學(xué)校的學(xué)生，還是已經(jīng)畢業(yè)工作的同學(xué)，在學(xué)習(xí)的過程中都要把知識(shí)面鋪開，廣泛涉獵并掌握相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和技能。

最后，再講兩句：

窮究物性，敢為人先，勇于攀登，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，為開拓創(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。

我想用這兩句話跟戰(zhàn)斗在實(shí)驗(yàn)室的同志們共勉。為實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)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(tuán)隊(duì)在科學(xué)研究和科學(xué)儀器創(chuàng)新上再鑄輝煌！

鏈接：

陳洪淵(1937-)，男，浙江三門縣人，教授，中國(guó)科學(xué)院院士(2001年當(dāng)選)，美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)士(2017年當(dāng)選)。1961年畢業(yè)于南京大學(xué)化學(xué)系，留校任教。1981～1984年為聯(lián)邦德國(guó)Mainz大學(xué)訪問學(xué)者，其后曾分別獲德國(guó)DFG、DAAD、VW-Stiftung等基金的資助，多次以訪問教授或客座教授進(jìn)行中短期的合作研究。

現(xiàn)(歷)任：南京大學(xué)教學(xué)委員會(huì)副主任、校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、分析科學(xué)研究所所長(zhǎng)，生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任和榮譽(yù)主任。兼(歷)任：教育部科技委委員、化學(xué)化工學(xué)部主任，科技委學(xué)風(fēng)建設(shè)委員會(huì)副主任；全國(guó)測(cè)試協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)；中國(guó)質(zhì)譜學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)；中國(guó)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、分析化學(xué)委員會(huì)副主任；江蘇省化學(xué)化工學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)；江蘇省質(zhì)量協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)；《Science in China》《中國(guó)科學(xué) 化學(xué)輯》《高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》《Chem. Res. in Chin. Univ.》四刊副主編；《化學(xué)進(jìn)展》《分析科學(xué)》《色譜》等雜志的編委或顧問編委、《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》高級(jí)顧問；《質(zhì)譜學(xué)報(bào)》《分析科學(xué)學(xué)報(bào)》主編；北京大學(xué)、清華大學(xué)、南開大學(xué)等兼職教授。歷任：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)學(xué)部常委；國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)委委員和評(píng)委；國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)委成員和評(píng)委；國(guó)家自然科學(xué)基金委、學(xué)部、學(xué)科評(píng)委；若干國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任等。曾任《國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)》電化學(xué)委員會(huì)國(guó)家代表(1991～1994年)。 長(zhǎng)期從事電化學(xué)分析基礎(chǔ)、仿生催化、生物電化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和微全分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究。主持完成了國(guó)家、省部委和國(guó)際合作科研項(xiàng)目40多項(xiàng)。迄今已發(fā)表論文930余篇, H因子為92；專利30余項(xiàng)；合編著譯書6冊(cè)，百科全書或?qū)Ｖ?專章；《21世紀(jì)化學(xué)叢書》和《10 000個(gè)科學(xué)難題(化學(xué)輯)》主編。曾獲：國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(2007年)、何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)(2006年)、國(guó)家自然科學(xué)三等獎(jiǎng)(1982年)、全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)(1978年) 各1項(xiàng)，教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)(2001、2006年)2項(xiàng)，國(guó)家教委(1998年)與教育部(1999年)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。2004年評(píng)為全國(guó)模范教師；2005年評(píng)為全國(guó)先進(jìn)工作者，獲全國(guó)“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)拢?015年獲《Nature》杰出導(dǎo)師終身成就獎(jiǎng)。

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