科學(xué)儀器是科技進(jìn)步之利器(一)
——訪中國(guó)科學(xué)院院士南京大學(xué)陳洪淵教授

夏 有 為

(《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》編輯部， 上海 200030)

1 儀器創(chuàng)新推動(dòng)科技發(fā)展

夏有為(簡(jiǎn)稱夏)：陳院士，您多年在實(shí)驗(yàn)室從事科學(xué)儀器的研究與創(chuàng)新，并取得卓越的成果。這次又介紹了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備研制專項(xiàng)。請(qǐng)您談?wù)効茖W(xué)儀器對(duì)科學(xué)發(fā)展所起的作用。

陳洪淵(簡(jiǎn)稱陳)：實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究的基地，而實(shí)驗(yàn)室極為重要的組成部分是科學(xué)儀器?？茖W(xué)儀器既是工具，也是我們進(jìn)行科學(xué)探索和認(rèn)識(shí)世界的重要手段。古人云，工欲善其事，必先利其器?？茖W(xué)儀器基礎(chǔ)研究是科學(xué)儀器發(fā)展的源泉，先進(jìn)的科學(xué)儀器是原始性科研創(chuàng)新的利器。沒有自己創(chuàng)新出來的儀器設(shè)備，很難獲得世界一流的突破性、變革性的成果。而原始性的科技創(chuàng)新成果則又孕育著新穎科學(xué)儀器的誕生，兩者互為因果，相依相隨。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)原主任陳宜瑜院士說：“現(xiàn)代科技的重大突破越來越依靠科研儀器的進(jìn)步，特別是基于新原理的科研儀器的創(chuàng)新性發(fā)展。

元素周期表發(fā)明人門捷列夫曾說過，科學(xué)是從測(cè)量開始的。1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Richard Ernst也說過，現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展。錢學(xué)森曾指出，“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)3部分組成。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)?！睖y(cè)量技術(shù)是建立在儀器技術(shù)的基礎(chǔ)之上，這些都是非常精辟的論述。

大量事實(shí)表明，誰掌握或者擁有最先進(jìn)的科學(xué)儀器，誰就有可能作出最先進(jìn)、最杰出的科研成果；強(qiáng)大的科技創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，是科學(xué)儀器和測(cè)量方法的創(chuàng)新?？茖W(xué)史上及諾貝爾物理學(xué)和化學(xué)獎(jiǎng)的事實(shí)表明，約有1/3是獎(jiǎng)給那些在創(chuàng)新與發(fā)展科學(xué)儀器或測(cè)量方法方面有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家(圖1、2、3、4)。由此足見分析測(cè)試以及儀器創(chuàng)新在人類科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展中的重要性。

我本人是學(xué)化學(xué)的。1956年考入南京大學(xué)化學(xué)系，1958年進(jìn)入新成立的放射化學(xué)專業(yè)，邊學(xué)習(xí)邊工作。1960年提前畢業(yè)留校轉(zhuǎn)入分析化學(xué)專業(yè)任教后又去物理系進(jìn)修。在這些轉(zhuǎn)換的過程中，讓我有幸學(xué)習(xí)了多門無線電電子學(xué)課程、核物理、數(shù)理方程、脈沖電路等課程，奠定了較厚實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)。早在學(xué)生時(shí)代就裝成過測(cè)量放射性劑量的儀器，這對(duì)我在其后的教科生涯中得益良多。在上個(gè)世紀(jì)60年代，我參加工作后曾搞過一段較長(zhǎng)時(shí)間的儀器研制。50多年的經(jīng)歷，我深刻理解儀器研究的重要性，特別是原創(chuàng)性科學(xué)儀器，這對(duì)科學(xué)發(fā)展是一項(xiàng)非常重要的工作。

圖3 2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)“超分辨熒光顯微鏡”

圖4 2017年 冷凍電鏡技術(shù)獲獎(jiǎng)?wù)?/p>

王大珩院士在十幾年前曾講過，科學(xué)儀器是認(rèn)識(shí)世界的重要工具，凝聚著人類的智慧，并成為科學(xué)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。但儀器儀表往往被看作科研和工業(yè)生產(chǎn)的配角，其實(shí)它早已成為我國(guó)科技發(fā)展和提升工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的核心組成部分，作用舉足輕重。事實(shí)證明，中國(guó)科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“咽喉”，部分地被卡在儀器儀表這一關(guān)上。王大珩院士的呼吁充分反映了一大批科學(xué)技術(shù)界有識(shí)之士的心聲，發(fā)展儀器儀表、分析測(cè)試、測(cè)控技術(shù)等以及相關(guān)學(xué)科集成交叉的重要性不言而喻，這對(duì)我國(guó)科技創(chuàng)新以至諾貝爾獎(jiǎng)的問鼎都有直接的關(guān)系。

21世紀(jì)之初，方肇倫和我亦曾提出發(fā)展生命分析儀器的具體方案，稱為《張衡工程》，并經(jīng)科學(xué)院學(xué)部(院士局)以《張衡工程》呈報(bào)國(guó)務(wù)院主管部門，建議將國(guó)外進(jìn)口儀器關(guān)稅收入的一部分用來補(bǔ)貼研制科學(xué)儀器的資金。后來，終因海關(guān)進(jìn)出口金額巨大，而科學(xué)儀器占比數(shù)又小，統(tǒng)計(jì)和執(zhí)行困難而止步。

李克強(qiáng)總理在2019年3月5日政府工作報(bào)告中說到：提升科技支撐能力；加大基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究支持力度，強(qiáng)化原始創(chuàng)新，加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，健全以企業(yè)為主體的產(chǎn)學(xué)研一體化創(chuàng)新機(jī)制。這是我國(guó)科學(xué)儀器創(chuàng)新與發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。國(guó)家科技部、基金委等采取措施大力支持鼓勵(lì)儀器創(chuàng)新都是非常正確的。

2 我國(guó)迫切需要發(fā)展原創(chuàng)性科學(xué)儀器

夏：在科學(xué)儀器研制方面我們國(guó)家目前的情況如何？

陳：當(dāng)今世界以信息和生命科學(xué)為龍頭的科學(xué)技術(shù)，已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最強(qiáng)大推動(dòng)力；科學(xué)技術(shù)已成為綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的決定因素。當(dāng)前，我國(guó)在作為科技發(fā)展基礎(chǔ)的科學(xué)儀器與裝備方面與科技發(fā)達(dá)國(guó)家的差距很大，對(duì)科技發(fā)達(dá)國(guó)家的依賴性過大，對(duì)于應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的遏制的抗衡能力脆弱。迄今，我國(guó)每年形成固定資產(chǎn)的上萬億元投資中，60%以上用于進(jìn)口設(shè)備，且關(guān)鍵的高端精密儀器主要依賴進(jìn)口。以分析檢測(cè)儀器為例，近年來我國(guó)的銷售額僅占全球銷售額的0.3%，而且絕大部分為中低檔產(chǎn)品，高端儀器裝備，如色譜—質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀、等離子體質(zhì)譜儀、電子能譜儀、透射和掃描電鏡、自動(dòng)生化分析儀和核酸測(cè)序儀等，則全部依靠進(jìn)口。

在生物醫(yī)學(xué)儀器方面，我國(guó)對(duì)進(jìn)口的依賴程度更為嚴(yán)重，現(xiàn)在省、市級(jí)醫(yī)院的臨床生化檢驗(yàn)很少使用國(guó)產(chǎn)儀器。我國(guó)大型醫(yī)療設(shè)備與儀器的市場(chǎng)主要被美、德、日等國(guó)家的跨國(guó)公司占有。我國(guó)弱小的生物醫(yī)學(xué)儀器行業(yè)更是舉步維艱，正面臨著空前嚴(yán)峻的生存考驗(yàn)。

目前我們的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已全被國(guó)外高級(jí)儀器充滿，高端醫(yī)療儀器則被國(guó)外壟斷。有人說，我們每個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的立項(xiàng)，就意味著又有一大筆資金外流。

同時(shí)，我國(guó)科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，科學(xué)儀器隊(duì)伍日顯萎縮。搞科學(xué)儀器研究的得到經(jīng)費(fèi)少、研究周期長(zhǎng)，沒人愿意去做。我國(guó)科學(xué)研究進(jìn)一步發(fā)展，面臨著“空心化”、“局域化”、“二流化”等挑戰(zhàn)。我們搞科學(xué)研究依賴國(guó)外的科學(xué)儀器，研究生用的大都是進(jìn)口的傻瓜式儀器，只用它來作實(shí)驗(yàn)、發(fā)文章，有的人連儀器的原理都不知道。固然，我們用別人的儀器也能作出原創(chuàng)性成果，也能驗(yàn)證我們的想法，但卻不能作出世界頂級(jí)的、重大原創(chuàng)成果，更談不上全面、綜合地研究出一流的科學(xué)儀器和測(cè)試方法。

有人說，我們?cè)诳茖W(xué)儀器制造領(lǐng)域?qū)S為“半殖民地”或“殖民地”的險(xiǎn)境。“半殖民地”就是我們自己還搞一點(diǎn)改進(jìn)，或自己研制一些?！爸趁竦亍本褪峭耆I別人的儀器，這一領(lǐng)域全被人家占了！這種說法雖然未免聳人聽聞，不過卻很形象，我們科學(xué)儀器的振興確已到了刻不容緩的地步！相應(yīng)科技政策的出臺(tái)和保證實(shí)施已經(jīng)勢(shì)在必行！

在當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)的時(shí)代, 如果我們沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)與裝備, 如果我們的科學(xué)儀器(包括分析儀器)產(chǎn)業(yè)不及時(shí)趕上, 不僅影響科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 亦必將危及經(jīng)濟(jì)甚至國(guó)家安全。

夏：根據(jù)這種情況應(yīng)如何解決我國(guó)科學(xué)儀器水平和發(fā)展問題？

陳：國(guó)家科技部和自然科學(xué)基金委在推動(dòng)我國(guó)科學(xué)事業(yè)的進(jìn)步，推動(dòng)科研隊(duì)伍壯大方面都起著非常大的作用?；鹞O(shè)立科研儀器基礎(chǔ)研究專項(xiàng)和部委推薦重大科學(xué)儀器專項(xiàng)是很有遠(yuǎn)見的戰(zhàn)略措施。我相信，投入資金短缺的問題會(huì)逐漸好轉(zhuǎn)。科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)，我們希望國(guó)家科技部和自然科學(xué)基金委加大對(duì)科學(xué)儀器專項(xiàng)的資助面和相應(yīng)力度，各大塊保持合理的平衡，建立新的評(píng)估體系，建立一支穩(wěn)定的科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究隊(duì)伍。

科學(xué)儀器上的創(chuàng)新往往是實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新的捷徑。目前，科學(xué)儀器的發(fā)展正面臨著難得的歷史性機(jī)遇。進(jìn)入21世紀(jì)，生命科學(xué)的發(fā)展極大推動(dòng)了相關(guān)科學(xué)儀器的發(fā)展，在細(xì)胞和分子水平上對(duì)生命現(xiàn)象的進(jìn)一步研究要求新一代的測(cè)試儀器。我們?cè)谧V儀等大型儀器上短期內(nèi)很難超過國(guó)外，但部分生化儀器上則可以超越。生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝、能量代謝與信息傳遞的研究中對(duì)分析的要求是原位、在體、實(shí)時(shí)、超痕量，對(duì)分析測(cè)試儀器的要求則是微型、便攜、超高速、超靈敏及高度自動(dòng)化。這就要求一些基于全新原理的科學(xué)儀器的面世，這對(duì)我們來說是個(gè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的機(jī)會(huì)。

發(fā)展基于新理論、新概念、新方法和新技術(shù)的分析測(cè)試方法與測(cè)試儀器，包括高端分析方法的建立，航空、航天、太空、深海、潛艇，極端條件(超低溫、超高溫、超強(qiáng)度、失重的、高真空等等)下的分析測(cè)試的完成。在單細(xì)胞、單分子、納米生物技術(shù)、藥物輸運(yùn)的監(jiān)控，生命的禁區(qū)，在極端條件下分析儀器裝置測(cè)試的可靠性，修飾針尖上檢測(cè)生物大分子等。研究先進(jìn)成像技術(shù)；細(xì)胞生命過程的活體分析；納米技術(shù)的生物應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用；納米技術(shù)的安全性問題等等方面，都存在很大的創(chuàng)造空間。

當(dāng)然，整個(gè)科學(xué)儀器領(lǐng)域水平的提高涉及方方面面的問題，國(guó)家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的高度重視，一定會(huì)推進(jìn)這一領(lǐng)域的加快發(fā)展。

(未完待續(xù))