中科院科研裝備研制創(chuàng)新成果調(diào)查：?jiǎn)?dòng)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(guó)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(guó)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(shí)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(dòng)態(tài)研究技術(shù)、原位技術(shù)、非接觸無(wú)損測(cè)定技術(shù)等成為趨勢(shì)，發(fā)展超快時(shí)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(duì)象和過(guò)程，從靜態(tài)轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)，上正在大力發(fā)展集采樣、樣品處理制作、自動(dòng)檢測(cè)分析和結(jié)果于一身的流程分析系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)時(shí)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(chǎng)或?qū)崟r(shí)的研究手段，解決這一問題的突破口在于發(fā)展新的檢測(cè)原理和新的檢測(cè)儀器。
然而，新近出版的《科學(xué)儀器學(xué)科與技術(shù)進(jìn)展的研究報(bào)告》提供了這樣一個(gè)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(guó)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(gè)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(guò)，當(dāng)我們仔細(xì)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(guó)生命科學(xué)的新希望。
中國(guó)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(shí)驗(yàn)室。該所研究員林炳承介紹，2004年9月，美國(guó)Business 2.0雜志封面文章把芯片實(shí)驗(yàn)室納入“改變未來(lái)的7種技術(shù)”。芯片實(shí)驗(yàn)室又稱微流控芯片或微流控芯片實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)，細(xì)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(gè)系統(tǒng)，它能取代常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能。該實(shí)驗(yàn)室的基本特征和zui大優(yōu)勢(shì)，便是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)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(xiàng)在內(nèi)的各種資金的支持下，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心競(jìng)爭(zhēng)力的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)研制了一系列不同檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了進(jìn)樣、萃取、電泳、色譜、膜分離等單元操作芯片化，并通過(guò)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(cè)，并以阿霉素對(duì)肝癌細(xì)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(shí)現(xiàn)了芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的功能化。
“中國(guó)微流控芯片的研究已得到了同行的承認(rèn)，發(fā)表的SCI文章數(shù)已居*二。按目前的趨勢(shì)，5年左右微流控芯片將在國(guó)內(nèi)業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。”大化所科技處有關(guān)人員說(shuō)。
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(zhǎng)通常的有機(jī)和無(wú)機(jī)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(diǎn)、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(shuō)，他們研制的設(shè)備除在材料外延生長(zhǎng)過(guò)程中可以原位實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜材料原子分子一層一層制備，還能進(jìn)行其相應(yīng)的激光與物質(zhì)相互作用和成膜過(guò)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(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究的一個(gè)很好的平臺(tái)。他們下一步計(jì)劃與美國(guó)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(zhǎng)的光反射差法原位實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)，并將其擴(kuò)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(shuō)：“光學(xué)顯微鏡曾經(jīng)是觀測(cè)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(chǎng)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?yàn)閽呙杞鼒?chǎng)光學(xué)顯微鏡的*優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)光學(xué)顯微鏡，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度的物體進(jìn)行個(gè)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(duì)未來(lái)的意義。他說(shuō)：“如果有一天你看到這么一幅圖像：一個(gè)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(jī)電子學(xué)的追求所在。”
胡文平介紹，目前一些有遠(yuǎn)見的科學(xué)家正在致力于研究有機(jī)半導(dǎo)體材料的本征性能。因?yàn)橛袡C(jī)材料很容易受污染，也很難生長(zhǎng)出像無(wú)機(jī)半導(dǎo)體硅那樣的大尺寸有機(jī)單晶來(lái)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(gè)嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)，使人回想起上世紀(jì)初無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的研究狀況：當(dāng)時(shí)，*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(jī)晶體管研究的狀況類似。因此，推動(dòng)有機(jī)晶體管和有機(jī)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(jī)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(jī)場(chǎng)效應(yīng)材料。他說(shuō)：“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(dòng)力。”
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