启动交叉科学发展“探路灯”

中科院科研装备研制创新成果调查：启动交叉科学发展“探路灯”

    王大珩院士和《现代科学仪器》主编胡柏顺在《加速发展我国现代仪器事业 迎接21世纪挑战》一文中写道：

     当今科学仪器技术最引人注目的发展是在生物、医学、材料、航天、环保、国防等直接关系到人类生存和发展的诸多领域中，科研装备不但能提供空间分析的数据，而且可作表面、内层和微区分析，甚至三维立体扫描分析和时间分辨数据。发展高分辨率、高选择性、高灵敏度的活体动态研究技术、原位技术、非接触无损测定技术等成为趋势，发展超快时间分辨和超高空间分辨技术成为仪器发展新的追求目标。研究的对象和过程，从静态转入动态，国际上正在大力发展集采样、样品处理制作、自动检测分析和结果于一身的流程分析系统；发展现场和实时的研究手段。生命科学等复杂体系研究的瓶颈是缺乏灵敏、有效和快速的现场或实时的研究手段，解决这一问题的突破口在于发展新的检测原理和新的检测仪器。

    然而，新近出版的《科学仪器学科与技术进展的研究报告》提供了这样一个令人沮丧、忧虑的数据：生命科学领域专用仪器目前国际上约有80余种，我国能够商品化的产品只有16种，正在研究的有十多种。在这样一个重磅前沿领域，没有自己的仪器，能做出多少原创成果？

    不过，当我们仔细了解了中科院科研人员自己研制的设备，或许能看到我国生命科学的新希望。

    中国科学院大连化学物理研究所的一栋楼房里，有几间洁净度要求很高的房间——微流控芯片实验室。该所研究员林炳承介绍，2004年9月，美国Business 2.0杂志封面文章把芯片实验室纳入“改变未来的7种技术”。芯片实验室又称微流控芯片或微流控芯片实验室，指在一枚邮票或一张信用卡大小的芯片上，完成生物或化学实验室各种功能的技术。生物和化学等领域涉及的样品制备、生物与化学反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元，都可集成到芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，它能取代常规化学或生物实验室的各种功能。该实验室的基本特征和最大优势，便是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。

    林炳承和大化所副研究员秦建华所在的研究组，在包括中科院科研装备专项在内的各种资金的支持下，建立了具有自主知识产权和核心竞争力的芯片实验室系统，自行设计研制了一系列不同检测器、不同功能的微流控芯片仪和一系列不同材料、不同结构的微流控芯片；实现了进样、萃取、电泳、色谱、膜分离等单元操作芯片化，并通过自行研制的微阀微泵形成集成功能；在上述集成的芯片上开展了DNA、蛋白质反应等研究。以此为基础，开展了上百例高血压、肿瘤和乙肝医学的诊断研究，完成了18例疑似SARS患者咽拭子样品冠状病毒的快速检测，并以阿霉素对肝癌细胞作用为模型，建立了一套药物高通量筛选芯片系统，在一定程度上实现了芯片实验室系统的功能化。

    “中国微流控芯片的研究已得到了国际同行的承认，发表的SCI文章数已居世界第二。按目前的趋势，5年左右微流控芯片将在国内业界得到广泛应用。”大化所科技处有关人员说。

     当前，物理学、化学、信息科学和生命科学等已紧密相连，中科院的仪器研制与此同步前行。中科院物理研究所研究员吕惠宾告诉记者，他们研制的激光分子束外延装置，除可在原子尺度控制生长通常的有机和无机薄膜材料，还可用于制备其他制膜设备和方法难以胜任的高熔点、多元素，特别是含有气体元素的多元素和复杂层状结构的薄膜和超晶格。

    吕惠宾说，他们研制的设备除在材料外延生长过程中可以原位实时监控薄膜材料原子分子一层一层制备，还能进行其相应的激光与物质相互作用和成膜过程的物理、化学等方面的基础研究。因此，该设备是探索开发新技术新器件和进行相关基础研究的一个很好的平台。他们下一步计划与美国加州大学戴维斯分校合作，发展用于氧化物薄膜原子尺度外延生长的光反射差法原位实时探测技术，并将其扩展到生命科学领域。

    照亮交叉科学发展道路的“探路灯”，在中科院其他研究所随处可见。

     中科院化学研究所研究员江雷说：“光学显微镜曾经是观测微小结构和物体的唯一手段，但随着科技向低维与介观尺度发展，要求新一代光学显微技术具备更高的分辨率。近场光学显微镜架起了原子力探针显微镜与光学显微镜之间的桥梁，是唯一能够突破光的衍射极限直接给出光学与光谱特性的设备。”他指出，因为扫描近场光学显微镜的独特优点，目前在化学、生物学和物理学等学科以及它们的交叉领域正发挥着独特的作用。据了解，江雷研究小组研制的近场光学显微镜，可实现对纳米尺度的物体进行个体性的研究，为其他技术难以替代。

    正在研制“分子材料、分子器件原位制备与研究系统”的中科院化学研究所研究员胡文平，描述了他自制的仪器对未来的意义。他说：“如果有一天你看到这么一幅图像：一个市民从口袋中掏出一块塑料布，把它展开收看电视、上网、收发电子邮件，你绝对不要惊讶。这正是有机电子学的追求所在。”

    胡文平介绍，目前一些有远见的科学家正在致力于研究有机半导体材料的本征性能。因为有机材料很容易受污染，也很难生长出像无机半导体硅那样的大尺寸有机单晶来满足研究和产业需求，导致很多科学家不太愿意从事这一领域研究。这个严酷的现实，使人回想起上世纪初无机半导体的研究状况：当时，全球顶尖科学家都不太愿意从事半导体方面的工作，原因是很难得到高纯和高质量的半导体。这和今天有机晶体管研究的状况类似。因此，推动有机晶体管和有机电路研究的关键之一，就在于有效避免各种污染物的影响，揭示有机材料的本征性能，获得高迁移率、高开关比、高稳定性的有机场效应材料。他说：“这也是我们这套‘分子材料、分子器件原位制备与研究系统’研制的初衷和原动力。”