中科院科研裝備研制創(chuàng)新成果調(diào)查：啟動交叉科學(xué)發(fā)展“探路燈”

  王大珩院士和《現(xiàn)代科學(xué)儀器》主編胡柏順在《加速發(fā)展我國現(xiàn)代儀器事業(yè) 迎接21世紀(jì)挑戰(zhàn)》一文中寫道：

    當(dāng)今科學(xué)儀器技術(shù)zui引人注目的發(fā)展是在生物、醫(yī)學(xué)、材料、航天、環(huán)保、國防等直接關(guān)系到人類生存和發(fā)展的諸多領(lǐng)域中，科研裝備不但能提供空間分析的數(shù)據(jù)，而且可作表面、內(nèi)層和微區(qū)分析，甚至三維立體掃描分析和時間分辨數(shù)據(jù)。發(fā)展高分辨率、高選擇性、高靈敏度的活體動態(tài)研究技術(shù)、原位技術(shù)、非接觸無損測定技術(shù)等成為趨勢，發(fā)展超快時間分辨和超高空間分辨技術(shù)成為儀器發(fā)展新的追求目標(biāo)。研究的對象和過程，從靜態(tài)轉(zhuǎn)入動態(tài)，上正在大力發(fā)展集采樣、樣品處理制作、自動檢測分析和結(jié)果于一身的流程分析系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)場和實時的研究手段。生命科學(xué)等復(fù)雜體系研究的瓶頸是缺乏靈敏、有效和快速的現(xiàn)場或?qū)崟r的研究手段，解決這一問題的突破口在于發(fā)展新的檢測原理和新的檢測儀器。

    然而，新近出版的《科學(xué)儀器學(xué)科與技術(shù)進展的研究報告》提供了這樣一個令人沮喪、憂慮的數(shù)據(jù)：生命科學(xué)領(lǐng)域儀器目前上約有80余種，我國能夠商品化的產(chǎn)品只有16種，正在研究的有十多種。在這樣一個重磅前沿領(lǐng)域，沒有自己的儀器，能做出多少原創(chuàng)成果？

    不過，當(dāng)我們仔細了解了中科院科研人員自己研制的設(shè)備，或許能看到我國生命科學(xué)的新希望。

    中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的一棟樓房里，有幾間潔凈度要求很高的房間——微流控芯片實驗室。該所研究員林炳承介紹，2004年9月，美國Business 2.0雜志封面文章把芯片實驗室納入“改變未來的7種技術(shù)”。芯片實驗室又稱微流控芯片或微流控芯片實驗室，指在一枚郵票或一張大小的芯片上，完成生物或化學(xué)實驗室各種功能的技術(shù)。生物和化學(xué)等領(lǐng)域涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測，細胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元，都可集成到芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，它能取代常規(guī)化學(xué)或生物實驗室的各種功能。該實驗室的基本特征和zui大優(yōu)勢，便是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。

    林炳承和大化所副研究員秦建華所在的研究組，在包括中科院科研裝備專項在內(nèi)的各種資金的支持下，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的芯片實驗室系統(tǒng)，自行設(shè)計研制了一系列不同檢測器、不同功能的微流控芯片儀和一系列不同材料、不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片；實現(xiàn)了進樣、萃取、電泳、色譜、膜分離等單元操作芯片化，并通過自行研制的微閥微泵形成集成功能；在上述集成的芯片上開展了DNA、蛋白質(zhì)反應(yīng)等研究。以此為基礎(chǔ)，開展了上百例高血壓、腫瘤和乙肝醫(yī)學(xué)的診斷研究，完成了18例疑似SARS患者咽拭子樣品的快速檢測，并以阿霉素對肝癌細胞作用為模型，建立了一套藥物高通量篩選芯片系統(tǒng)，在一定程度上實現(xiàn)了芯片實驗室系統(tǒng)的功能化。

    “中國微流控芯片的研究已得到了同行的承認，發(fā)表的SCI文章數(shù)已居*二。按目前的趨勢，5年左右微流控芯片將在國內(nèi)業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。”大化所科技處有關(guān)人員說。

    當(dāng)前，物理學(xué)、化學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)等已緊密相連，中科院的儀器研制與此同步前行。中科院物理研究所研究員呂惠賓告訴記者，他們研制的激光分子束外延裝置，除可在原子尺度控制生長通常的有機和無機薄膜材料，還可用于制備其他制膜設(shè)備和方法難以勝任的高熔點、多元素，特別是含有氣體元素的多元素和復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)的薄膜和超晶格。

    呂惠賓說，他們研制的設(shè)備除在材料外延生長過程中可以原位實時監(jiān)控薄膜材料原子分子一層一層制備，還能進行其相應(yīng)的激光與物質(zhì)相互作用和成膜過程的物理、化學(xué)等方面的基礎(chǔ)研究。因此，該設(shè)備是探索開發(fā)新技術(shù)新器件和進行相關(guān)基礎(chǔ)研究的一個很好的平臺。他們下一步計劃與美國加州大學(xué)戴維斯分校合作，發(fā)展用于氧化物薄膜原子尺度外延生長的光反射差法原位實時探測技術(shù)，并將其擴展到生命科學(xué)領(lǐng)域。

    照亮交叉科學(xué)發(fā)展道路的“探路燈”，在中科院其他研究所隨處可見。

    中科院化學(xué)研究所研究員江雷說：“光學(xué)顯微鏡曾經(jīng)是觀測微小結(jié)構(gòu)和物體的*手段，但隨著科技向低維與介觀尺度發(fā)展，要求新一代光學(xué)顯微技術(shù)具備更高的分辨率。近場光學(xué)顯微鏡架起了原子力探針顯微鏡與光學(xué)顯微鏡之間的橋梁，是*能夠突破光的衍射極限直接給出光學(xué)與光譜特性的設(shè)備。”他指出，因為掃描近場光學(xué)顯微鏡的*優(yōu)點，目前在化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科以及它們的交叉領(lǐng)域正發(fā)揮著*的作用。據(jù)了解，江雷研究小組研制的近場光學(xué)顯微鏡，可實現(xiàn)對納米尺度的物體進行個體性的研究，為其他技術(shù)難以替代。

    正在研制“分子材料、分子器件原位制備與研究系統(tǒng)”的中科院化學(xué)研究所研究員胡文平，描述了他自制的儀器對未來的意義。他說：“如果有一天你看到這么一幅圖像：一個市民從口袋中掏出一塊塑料布，把它展開收看電視、上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件，你不要驚訝。這正是有機電子學(xué)的追求所在。”

    胡文平介紹，目前一些有遠見的科學(xué)家正在致力于研究有機半導(dǎo)體材料的本征性能。因為有機材料很容易受污染，也很難生長出像無機半導(dǎo)體硅那樣的大尺寸有機單晶來滿足研究和產(chǎn)業(yè)需求，導(dǎo)致很多科學(xué)家不太愿意從事這一領(lǐng)域研究。這個嚴(yán)酷的現(xiàn)實，使人回想起上世紀(jì)初無機半導(dǎo)體的研究狀況：當(dāng)時，*科學(xué)家都不太愿意從事半導(dǎo)體方面的工作，原因是很難得到高純和高質(zhì)量的半導(dǎo)體。這和今天有機晶體管研究的狀況類似。因此，推動有機晶體管和有機電路研究的關(guān)鍵之一，就在于有效避免各種污染物的影響，揭示有機材料的本征性能，獲得高遷移率、高開關(guān)比、高穩(wěn)定性的有機場效應(yīng)材料。他說：“這也是我們這套‘分子材料、分子器件原位制備與研究系統(tǒng)’研制的初衷和原動力。”
中科院科研裝備研制創(chuàng)新成果調(diào)查：啟動交叉科學(xué)發(fā)展“探路燈”