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趙微在實(shí)驗(yàn)中

古語(yǔ)云：一葉落，而知天下秋。葉落，指的是秋葉從枝頭落到地上的空間距離的運(yùn)動(dòng)，以及在飄落過(guò)程中時(shí)間維度的流逝。而所謂葉落知秋的說(shuō)法之所以成立，是因?yàn)槠浯砹艘环N見(jiàn)微知著的邏輯，即通過(guò)正確認(rèn)知細(xì)微處物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化而推演出宏觀世界發(fā)展的趨向與結(jié)果。

這不僅是文學(xué)、哲學(xué)，更是自然科學(xué)。只不過(guò)到了現(xiàn)代科學(xué)，大家對(duì)細(xì)微事物的觀察不再局限于落葉，而是深入微觀粒子層面。多年來(lái)，上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院教授趙微致力于高時(shí)空分辨電化學(xué)成像與測(cè)量領(lǐng)域的研究，通過(guò)對(duì)單分子、單顆粒、單細(xì)胞的空間與時(shí)間變化來(lái)從最本質(zhì)處認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的客觀變化規(guī)律。

眾所周知，唯有不斷探索事物的客觀規(guī)律才能推動(dòng)自然科學(xué)蓬勃發(fā)展。這是人們認(rèn)識(shí)世界的必經(jīng)之路，是社會(huì)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也是趙微克服一個(gè)又一個(gè)科研挑戰(zhàn)的價(jià)值所在。

榜樣指引前行

時(shí)至今日，當(dāng)趙微再次回憶起16年前的那場(chǎng)會(huì)議，依然會(huì)心緒翻涌，感慨良多。

將時(shí)鐘調(diào)回2006年，彼時(shí)，處于奧地利、瑞士和德國(guó)三國(guó)交界處博登湖畔的林島小鎮(zhèn)群星璀璨，匯集了來(lái)自世界各地的23位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者及眾多的杰出青年學(xué)者，他們此行皆是為了參加第56屆林島諾貝爾獎(jiǎng)得主大會(huì)。

趙微就是與會(huì)的25名中國(guó)青年學(xué)者之一。彼時(shí)的她正處于攻讀博士階段，師從我國(guó)著名分析化學(xué)家和教育家、中國(guó)科學(xué)院院士陳洪淵先生。陳洪淵先生治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，尤其注重言傳身教，他總會(huì)在科研上提出創(chuàng)新的想法，常常與學(xué)生一起“頭腦風(fēng)暴”。作為陳洪淵先生門(mén)下學(xué)生，趙微早早就在科研領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。在讀博期間開(kāi)展電化學(xué)生物傳感器的研究時(shí)，她便參與了徐靜娟教授主持的“周圍神經(jīng)束性質(zhì)的快速原位電化學(xué)檢測(cè)研究”項(xiàng)目。在陳先生和徐老師的指導(dǎo)下，她與臨床外科醫(yī)生合作，期望在手術(shù)中快速鑒別運(yùn)動(dòng)神經(jīng)與感覺(jué)神經(jīng)，提高患者肢體預(yù)后的功能。最終，這項(xiàng)研究成果成功發(fā)表在《分析化學(xué)》（Analytical Chemistry）上，還申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。也正是基于她讀博期間出色的研究成果，趙微通過(guò)了中德科學(xué)中心的層層選拔，獲得極其寶貴的機(jī)會(huì)，與諾貝爾獎(jiǎng)得主共聚一堂，作為正在攀登科研金字塔的青年學(xué)者，聆聽(tīng)已經(jīng)登頂?shù)拇髱焸兊难芯拷?jīng)驗(yàn)與心得感悟。

趙微猶記得，當(dāng)自己向諾貝爾獎(jiǎng)獲得者——膜片鉗發(fā)明者厄溫·內(nèi)爾（Erwin Neher）教授詢問(wèn)道：作為一名科研工作者，該如何面對(duì)科研上的困難和倦??？面對(duì)這一問(wèn)題，厄溫·內(nèi)爾教授回顧了自己大半生走過(guò)的科研路程，并語(yǔ)重心長(zhǎng)地對(duì)趙微說(shuō)道，不要畏懼困難和挑戰(zhàn)，正是多學(xué)科的學(xué)習(xí)、對(duì)于科學(xué)問(wèn)題專注的思考、以及多年來(lái)堅(jiān)持不懈的實(shí)驗(yàn)工作，才使得他獲得了如今的成就。趙微將這句回答深深地印在了心里，并將其濃縮為一句：不要畏懼困難和挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)可以促使人進(jìn)行更深入的思考，使我們更接近真理。

彼時(shí)的趙微還沒(méi)有想到，此后自己將在科研道路上經(jīng)歷數(shù)不清的挑戰(zhàn)，而這句話則在她每次面對(duì)挑戰(zhàn)與困難時(shí)給她指引，賦予她勇氣。

與挑戰(zhàn)共同成長(zhǎng)

很快，趙微就迎來(lái)了自己研究道路上的一次令人難忘的挑戰(zhàn)。

2008年，在參加林島諾貝爾獎(jiǎng)得主大會(huì)兩年后，剛剛?cè)〉貌┦繉W(xué)位的趙微獲得中德科學(xué)中心的資助，前往德國(guó)專家貝姆（Jürgen Behm）教授的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展博士后研究工作。Behm教授師從諾貝爾獎(jiǎng)得主埃特爾（Gerhard Ertl）教授，在固體表面化學(xué)過(guò)程的研究中有著極高的建樹(shù)。趙微希望能在博士后階段拓寬自己的研究領(lǐng)域，學(xué)習(xí)更多的知識(shí)。然而從電化學(xué)傳感方向到燃料電池界面電化學(xué)反應(yīng)在線分析，研究?jī)?nèi)容和儀器方法完全不同，這給她帶來(lái)了很大的壓力。更讓人為難的是，上一位在Behm教授組從事這項(xiàng)工作的學(xué)者失敗了，僅僅給后來(lái)者留下了一本儀器操作手冊(cè)。

新的科研方向，新的科研環(huán)境，一切都要自己摸索。面對(duì)壓力，趙微想起了當(dāng)初在國(guó)內(nèi)求學(xué)時(shí)，陳洪淵先生講給她的自己當(dāng)年在嚴(yán)重缺乏研究設(shè)備的環(huán)境下堅(jiān)持科研工作的經(jīng)歷，無(wú)論處于怎樣資源匱乏的環(huán)境，先生都不曾放棄學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，當(dāng)初在林島諾貝爾獎(jiǎng)大會(huì)獲得的啟發(fā)也浮現(xiàn)在她心里。

想到這些，趙微很快沉下心來(lái)，進(jìn)入苦研狀態(tài)，她研制了一套在線萃取裝置，這一裝置可以對(duì)電池反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時(shí)的分離。因?yàn)樗錾难芯砍晒?，趙微獲得了德國(guó)洪堡基金會(huì)的資助，在之后的兩年中，她完整地構(gòu)建了一套系統(tǒng)，包括薄層電化學(xué)池、微分電化學(xué)質(zhì)譜和電噴霧質(zhì)譜。這個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池反應(yīng)過(guò)程的完整記錄，使研究者增加了對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)生成中間產(chǎn)物、主產(chǎn)物以及副產(chǎn)物的機(jī)理的認(rèn)知。

正應(yīng)了那句話：“挑戰(zhàn)可以使人更深入地思考，更加接近真理?！辈┦亢笃陂g的刻苦鉆研，讓趙微對(duì)整個(gè)科研從理論到實(shí)踐的過(guò)程有了完整的思考。

科研生活就好像好萊塢影片一樣，在經(jīng)歷令人緊張的情節(jié)之后，總會(huì)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平靜的階段。受德國(guó)高度工業(yè)化的環(huán)境熏陶，趙微開(kāi)始關(guān)注工業(yè)化方向的研究，希望能夠通過(guò)自己的工作，實(shí)實(shí)在在地推動(dòng)儀器行業(yè)的發(fā)展。因此，2011年回國(guó)后，她選擇進(jìn)入安捷倫科技上海有限公司擔(dān)任高級(jí)工程師。于她而言，那是相對(duì)平靜，也非常充實(shí)的4年，但她也坦言，內(nèi)心深處總有一種說(shuō)不清、道不明的缺憾。直到2015年她回到南京大學(xué)拜訪陳洪淵先生，了解到陳先生正在主持一項(xiàng)重大儀器專項(xiàng)時(shí)才猛然發(fā)現(xiàn)，自己最想要的，仍是接觸更前沿、更高難度的工作?！罢\(chéng)然，在一個(gè)優(yōu)秀的企業(yè)里，你做的研究是世界前10%的水平，但只有在科研界，你才能觸及那前1%?！壁w微說(shuō)道。

看清楚自己的內(nèi)心之后，趙微毅然做出決定，回到南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院從事高時(shí)空分辨電化學(xué)成像與測(cè)量方面的研究，去接觸更加前沿的科技，迎接更大的挑戰(zhàn)。

之所以說(shuō)是更大的挑戰(zhàn)，主要原因是科技的發(fā)展日新月異，對(duì)于之前在工業(yè)界從事4年工作的趙微來(lái)說(shuō)，已然錯(cuò)過(guò)了很多。但每當(dāng)感到壓力巨大的時(shí)候，陳先生的教導(dǎo)和對(duì)科研的熱愛(ài)總會(huì)支撐她義無(wú)反顧地繼續(xù)走下去。直到后來(lái)，她從南京大學(xué)來(lái)到如今所就職的上海大學(xué)開(kāi)始獨(dú)立建設(shè)課題組，面對(duì)全新的環(huán)境和挑戰(zhàn)，對(duì)科學(xué)和真理的追求仍時(shí)刻賦予她勇氣和力量。

趙微（后排右一）與陳洪淵先生和徐靜娟教授在德國(guó)留影

科研服務(wù)于社會(huì)

2021年，《科學(xué)》雜志發(fā)布“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題”，其中一個(gè)問(wèn)題就是：如何在微觀界面測(cè)量界面現(xiàn)象？再次回到學(xué)術(shù)界的趙微從事的就是這一領(lǐng)域的研究。

人眼所能分辨物體的最小尺寸是50～100微米，如果借助顯微成像技術(shù)，則可以將觀測(cè)范圍深入納米甚至單個(gè)原子尺度。但這樣就可以正確了解物質(zhì)了嗎？無(wú)論是哲學(xué)還是現(xiàn)代科學(xué)，都在告訴人們，世間萬(wàn)事萬(wàn)物都處于不斷變化之中，所以趙微說(shuō)道：“世界是動(dòng)態(tài)的，界面現(xiàn)象是不斷變化的。”

但要在分子、原子水平精準(zhǔn)地觀測(cè)動(dòng)態(tài)的變化，來(lái)描繪三維世界化學(xué)反應(yīng)的真實(shí)圖景，其間的難度何其高。要知道，目前針對(duì)微納界面的測(cè)量常常為了獲得高靈敏度和某一維度的高分辨率，而放棄對(duì)完整過(guò)程信息的追求。這就好比對(duì)待物質(zhì)世界觀其貌而不觀其全貌，又如何能獲得正確的認(rèn)知呢？

林島學(xué)者在德意志學(xué)術(shù)交流中心總部（趙微為二排左五）

為了能夠在極其微小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)于極其微弱信號(hào)快速而精準(zhǔn)的測(cè)量，趙微結(jié)合電化學(xué)測(cè)量的高靈敏度和光學(xué)信號(hào)的高讀取通量，研制成基于電化學(xué)發(fā)光的“超靈敏微納界面電化學(xué)發(fā)光成像”裝置。據(jù)趙微介紹，電化學(xué)發(fā)光源于電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中將電能轉(zhuǎn)化為輻射能的過(guò)程，其承襲了電化學(xué)測(cè)量快速響應(yīng)，高靈敏、高時(shí)空可控性等特點(diǎn)，又結(jié)合了光學(xué)測(cè)量通量高、所見(jiàn)即所得的優(yōu)點(diǎn)，可直接成像與測(cè)量微納界面分子反應(yīng)的核心——電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。借助這一裝置，趙微通過(guò)對(duì)異質(zhì)金屬雙面神（金-鉑結(jié)構(gòu)）界面電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)成像，首次發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料具有更高的催化轉(zhuǎn)化效率及穩(wěn)定性?；陔娀瘜W(xué)發(fā)光超靈敏成像策略實(shí)現(xiàn)了單顆粒界面電子轉(zhuǎn)移、物質(zhì)遷移及表面吸附等過(guò)程的分析研究，并且闡明了納米異質(zhì)材料特殊電催化性能的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。值得一提的是，這一研究尤其有助于能源領(lǐng)域先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)、合成以及篩選。

盡管實(shí)現(xiàn)了微納界面電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的超靈敏成像，但趙微并未滿足于此。在她看來(lái)，科研之路就像爬山，越過(guò)一座山丘之后，后面還有一座座山巒等待著自己。比如電化學(xué)發(fā)光成像雖然可針對(duì)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行超靈敏的實(shí)時(shí)測(cè)量，然而受限于光學(xué)衍射極限，其空間分辨率介于200～300n m之間，難以提升。為此，她又創(chuàng)建了“超分辨電化學(xué)發(fā)光成像”新方法，將圖像重建技術(shù)與電化學(xué)發(fā)光成像結(jié)合，研制成超分辨電化學(xué)發(fā)光顯微鏡，突破光學(xué)衍射極限，使成像空間分辨率達(dá)到100nm。在此基礎(chǔ)上，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用超分辨電化學(xué)發(fā)光成像，測(cè)量一維和二維納米材料表面電化學(xué)活性分布，探索晶格結(jié)構(gòu)和表面缺陷與表面化學(xué)轉(zhuǎn)化率之間的本征關(guān)系。隨著反應(yīng)進(jìn)行，配位數(shù)低的高活性表面原子更易于因表面氧化及反應(yīng)物吸附而失活，這一過(guò)程可于數(shù)秒內(nèi)發(fā)生，界面電化學(xué)反應(yīng)被實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，從而獲得電化學(xué)反應(yīng)中催化劑的空間活性位點(diǎn)及隨時(shí)間改變的化學(xué)轉(zhuǎn)化率的完整圖景。

當(dāng)然，這一領(lǐng)域研究的應(yīng)用方向是發(fā)散性的。如趙微所說(shuō)，高時(shí)空分辨電化學(xué)成像是用來(lái)觀測(cè)三維世界的物質(zhì)，這其中自然也包括生命，或者說(shuō)是生命體內(nèi)細(xì)胞的生老病死。受此啟發(fā)，趙微研制了“分子動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)成像”電化學(xué)發(fā)光時(shí)序測(cè)量裝置，通過(guò)它可成像納米-生物界面分子的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

眾所周知，生死之間的距離包含著細(xì)胞的新生與死亡，醫(yī)學(xué)可以通過(guò)種種手段來(lái)治愈人體，但前提是足夠了解這個(gè)過(guò)程。目前單細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像的局限在于，在傳統(tǒng)的明場(chǎng)成像中，因?qū)Ρ榷炔蛔?，?huì)丟失很多重要的過(guò)程信息。趙微研制的“分子動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)成像”電化學(xué)發(fā)光時(shí)序測(cè)量裝置，可跟蹤焦亡過(guò)程中單細(xì)胞界面的動(dòng)態(tài)變化，精準(zhǔn)成像細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變、細(xì)胞基質(zhì)粘附性的變化、焦亡小體的產(chǎn)生，以及細(xì)胞膜通透性的增加等過(guò)程，在毫秒級(jí)時(shí)間尺度上開(kāi)展單細(xì)胞測(cè)量。

這一工作增加了對(duì)細(xì)胞生命過(guò)程的理解，同時(shí)也為體外的精準(zhǔn)測(cè)量和在體的臨床應(yīng)用研究提供了全新的方法，推動(dòng)了電化學(xué)發(fā)光在化學(xué)測(cè)量學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

無(wú)論是提出“超靈敏電化學(xué)發(fā)光成像”的分析新策略，還是研制出“分子動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)成像”的電化學(xué)發(fā)光時(shí)序測(cè)量裝置、創(chuàng)建“超分辨電化學(xué)發(fā)光成像”新方法，抑或是其他的重要研究成果，于趙微而言，都是她在過(guò)往一路的科研過(guò)程中必須接受的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)的目的是為了探尋自然界最本質(zhì)的科學(xué)問(wèn)題，而最終的目標(biāo)一定是為社會(huì)發(fā)展服務(wù)。在科研始終圍繞社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的前提下，趙微希望將研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，去推動(dòng)能源領(lǐng)域和生命科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。趙微說(shuō)，在未來(lái)，她也會(huì)攜團(tuán)隊(duì)一起著手相關(guān)成像與測(cè)量?jī)x器的產(chǎn)業(yè)孵化，爭(zhēng)取讓更多的科研工作者能夠使用到團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的設(shè)備。

顯然，未來(lái)的科研道路上還有數(shù)不清的挑戰(zhàn)在等著趙微，但她相信自己有足夠的勇氣與底氣來(lái)迎接這些挑戰(zhàn)。