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穷究物性,心系祖国——南京大学教授、中国科学院院士陈洪渊

2020-09-14

 

“穷究物性,敢为人先,勇于攀登,严谨求实,为开拓创新之首要;心系祖国,团结协同,激励奋进,志在奉献,为付诸行动之根本!愿为强国富民,实现中华民族的伟大复兴与同仁共勉奋斗!”这是陈洪渊院士为2018年第十九次两院院士大会应邀撰写的寄语。陈洪渊院士的这段话道出了我国科学家矢志创新、奉献祖国的心声。
穷究物性,是创新之源,心系祖国,是创新的根本。斯人如言,为此践行一生。
不止于此,作为引领学科发展方向的战略型科学家,陈洪渊院士对学科未来发展的审视、把握及见地,对学科发展的战略性眼光和见解,对基础性研究的重视,以及对年轻学者发展前路的指引,都是国家和学科向前发展弥足珍贵的财富。
 
1 与化学结缘一生,与兄弟学科联盟久长
1956年,陈洪渊以优异成绩被南京大学化学系录取,两年后南京大学成立放射化学专业,由于他数理基础好,知识面广且又有一定的无线电技术基础,于是被分到这个与其它本科专业有所区别的“保密专业”。除了放射化学、放射性测量等专业主课,无机化学、有机化学、物理化学和高等数学也都是主课,还必须学习核物理和应用电子学、脉冲技术等相关课程。当年核物理课程就是由约里奥·居里夫人的学生施士元教授讲授的。所有这些使他奠定了坚实的基础。
陈洪渊兴趣广泛,视野开阔。他家中书多,小时候,父亲就要他背诵古诗词,他喜欢看大人看的书,如《三国演义》《曾文正公全集》,并且对《孙子兵法》和中国象棋梅花谱十分感兴趣。进入大学后,除了本学科课程的学习,他对力学、数学、无线电电子学等学科也多有涉猎;培养了较强的动手能力和科学素养。大学二年级上学期曾在老师的指导下,试制成功高频滴定仪和电导分析仪等实验装置。这些为以后的科学研究打下了坚实的知识基础。
1960年广州会议后,南京大学贯彻《教育部直属高等学校暂行工作条例》(高教六十条),大力加强师资队伍和学科建设。此时,恰逢国际交流项目启动,邀请捷克学者Koryta教授于1960年秋来南京大学作以“电极过程动力学和极谱电流理论”为内容的为期两个月的讲学,开办了由20多所高校和科研院所派员组成的“讲习班”。捷克Koryta教授是因发明极谱分析法而在1959年获诺贝尔化学奖的捷克科学家Heyrovsky教授的合作者。此时,尚未毕业的陈洪渊由于丰富的学习经历与广博的知识面脱颖而出,被提前留校,作为预备教师分配到分析化学教研室参加教学活动和学科建设,也参加了这个“讲习班”。
Koryta教授的讲学推动了南京大学电分析化学的科学研究。当时分析化学专业主任高鸿教授远见卓识地指出:做分析化学研究的教师要普遍进行“无线电扫盲,要会搞仪器”。在“讲习班”以后,他专门指派陈洪渊到物理系无线电电子学专业脱产进修两年,学习无线电电子学有关课程和《数学物理方法》等课程,并参加他们当时举办的“无线电师训班”,还强调必须结合分析化学永不脱钩。从此,年轻的陈洪渊就开始踏上半个多世纪“与化学结缘,与兄弟学科联盟”的南京大学生涯。
在1961年转正任教到1966年,他研制成的振动子方波极谱仪和线性变位示波极谱仪作为南京大学的优秀成果之一,于1965年在直属高校科技成果展览会上展出;此项成果连同研究论文得到1978年全国科学大会奖和1982年的国家自然科学奖三等奖。1966年至1976年期间,他下乡当过食堂的会计,承担过检测半导体鍺的载流子寿命等的研究任务,办过生产半导体多晶硅的“工厂”,当过工农兵大学生的班主任和助教进修班的班主任。直到1976年后,陈洪渊才最终实现了潜心科学研究的愿望,走上了分析化学的研究之路。
分析测量是科学研究工作不可或缺的组成部分,是科学技术的眼睛,也是认识事物进而解决问题的重要“工具”;能源、材料、生命、环境和信息等领域的前沿与关键问题都需要这个“工具”来解决。陈洪渊此前所学专业并非分析化学,虽然有数理和化学的功底,但想在这个专业有所建树并不容易。在困难面前,他选择了埋头苦干,用智慧和汗水打磨分析化学这把科研攻关的“利器”,在电分析化学基础与应用的多个前沿领域均作出了重要贡献。
 
2 多方筹措谋求学科发展
1985年后,陈洪渊接替南京大学分析化学专业前主任、著名分析化学家高鸿院士的班,开始担任分析化学专业主任。20世纪90年代初期,高鸿院士因年迈体弱回西安故里,一批顶梁老教师又相继退休,人才青黄不接;而学科资金更是捉襟见肘,设备如何购买?科研怎样继续?作为接班人,他提出了“打到外线去”的做法。力争在其他兄弟院系的支持和帮助下,利用他人设备完成自己实验室无法完成的研究。
1984年初,陈洪渊在德国留学期满时,获得德国大众汽车基金会(VW-Stifftung)10万马克的资助用于中德双边国际合作科研基金,他用这笔资金购回了一台Metrohm E506电化学分析仪和若干图书资料带回祖国,就是这套仪器成为他当时开展科学研究的唯一“重磅武器”。
仪器只有一台,团队成员就轮流使用;缺经费,他们连仪器用的记录纸也反复使用。从基础理论研究到攻克一系列技术难题,以陈洪渊为首的科学家们实现了许多生命分析领域的“突破”。
经过大家近30年的艰苦奋斗,至今,南京大学分析化学学科取得了长足的发展,连续三期获得国家自然科学基金创新研究群体项目资助,产生了7位国家杰出青年基金获得者,4位 “长江特聘”教授,1位中国青年女科学家奖获得者,8位国家优青,1位青年长江学者,14位“青年千人”计划获得者,等等。南京大学分析化学学科在陈洪渊院士的带领下发展壮大为《生命分析化学国家重点实验室》。
 
3 孜孜不倦,成果等身
几十年来,陈洪渊及其团队在分析化学及相关领域不断探索,取得了一系列原创性成果。
他长期从事电化学分析基础、仿生催化、生物电化学、化学生物学和微全分析系统等领域的研究,在我国电分析化学基础与应用的多个前沿领域作出了重要贡献。主持国家自然科学基金重大项目、重点项目和面上项目以及国家973计划纳米科技项目课题等国家、省部及国际科技合作科研项目等共40多项。在国内外发表和合作发表论文1 000余篇,合著编译图书6册(套);获得多项各类集体和个人奖励。
他在微电极理论和应用方面,引进新概念,发现新效应,解决了一系列复杂体系暂态和稳态电流表达式的求解问题;导出了阵列微带电极的电流表达式以及测定方法;创建了各类多种在微盘、微柱、微带及阵列微带电极上灵敏测定生物分子的新型生物传感器。
在生物电化学基础与应用以及生物催化、超分子组装研究方面,提出不同类型膜(包括有机聚合物膜、无机配合物膜和自组装单层膜等)构建的方法,揭示了生物分子的界面性质,建立了核酸、蛋白质(酶)、辅酶和生物活性小分子的高灵敏、高选择性的电分析方法。
在新型纳米仿生界面的构建与生物传感方面,率先将纳米粒子作为电子导线引入电极表面,促进酶和蛋白质的界面反应,其桥联作用使固定化生物分子的活性得以持久保持;创立了多种构建纳米仿生界面的方法,研制成一批响应快、灵敏度高、寿命长的生物传感器;开创了在场效应管绝缘栅界面的纳米组装,成功研制成国际上首支纳米粒子修饰的场效应管生物传感器;发现了纳米粒子的电子导线作用、放大效应和新的反应特性。
在流动体系联用检测新方法方面,建立了酶、核苷酸、嘌呤碱基、氨基酸、寡糖、神经递质、有机酸等重要生化物质灵敏的毛细管电泳电化学检测新体系。
他成功构建成多种高效的仿生催化界面,降低了NADH氧化过电位达600mV,研制成一系列电化学/生物传感器件;并组成了三维有序膜,为发展新型高效生物传感器创造了条件。在国际上,率先观察到表面活性剂对血红蛋白电子转移的促进作用,使其测定灵敏度提高两个数量级;发展了微电极新技术的基础理论和应用,并在痕量生物物质的毛细管电泳分离与电化学分析中,使三种生物酶的检测限低达amol级高灵敏度。
进入21世纪,他带领研究团队对生命活动过程中各种化学反应在分子水平上相互作用的定性定量探测,开拓生命分析化学研究新领域。比如,发明了一种新型芯片电化学检测法,解决了长期以来细胞在芯片中分析和电化学测定耦合干扰的难题,实现了对极低含量及关键生物分子的测定。
2010年后,他和团队围绕对探究生命过程的化学本质与重大疾病起源均有重大意义的单细胞分析开发原创仪器,以单细胞内生命活动中的动态分子过程为代表性研究体系,为2019年成功研制成国际首台融合电化学、光谱学和质谱技术的高时空分辨单细胞及胞内生物分子动态分析装置——“单细胞时空分辨分子动态分析系统”的成功研制扫清道路。
3.1 “陈氏公式”
1981年,陈洪渊被公派出国以访问学者的身份到德国美茵茨大学在国际著名电分析化学家R.Neeb教授指导下深造两年。在那里,他一边进行科学研究,一边探索、思考西方文化的风格、特点,寻找中西文化的差异和交融,不断为自己的科研事业注入新的活力。
到德国后,在完成了几个体系的电化学研究任务后,Neeb 教授了解到陈洪渊有良好的电化学理论基础,于是就要求他开展Neeb教授10多年来一直想做而未做的课题“关于各类极谱电极过程伏安电流的温度效应”的基础研究。
陈洪渊用相当长的时间,开展了对可逆、准可逆、不可逆、动力催化以及吸附过程等几大类型在直流、交流一次和二次谐波、脉冲极谱(示差与常规)等诸方法中所包含29个不同体系在273 K353 K(080℃)范围内,测出大量的电流温度效应的实验数据,以期找出电流与温度间准确的函数关系。在陈洪渊还在思索之时,几天后,Neeb教授与他的助手已归纳出如下的经验公式。                                        
除吸附体系外,其余体系的实验数据与“理论公式”拟合的偏差均在5%以内,Neeb教授十分高兴地赞扬陈洪渊做出如此好的实验结果。但陈洪渊经过一番思考后,却对此提出了质疑。因为,当温度趋向绝对零度时,电流不为零而为常数;而当温度趋向无穷大时,电极反应产生的电流却不趋向极限值竟为无穷大,显然是谬误。陈洪渊经过几天闭门反复思考后,导出了如下的普适公式。
将不符合热力学原理的两个极端情况下的谬误都纠正了,而且其实验数据与这个“理论”公式拟合的平均误差在±1.0%以内;并且还能求得“反应活化能EA”。Neeb教授十分高兴,赞称它为“Chen’Equation”。此后,他的这个公式多次被引用,他的研究能力也因此得到了学术界的肯定。其后,研究工作更加顺利开展,并且他于1986年和1989年分别获得德国学术交流中心(DAAD)和德国科学基金会(DFG)基金资助,再次访问德国,进一步开展合作研究,推动了分析化学的学科建设。
3.2 阵列微电极电流理论
做微电极研究的人都知道,当两电极的距离小于一定尺度时,它们之间会发生相互影响。1992年,陈教授指导研究生对此现象进行深入研究后,发表了题为Investigation on Microelectrodes: Part XVI. Study of the shielding effect at a microband-array electrode学术论文,对这种相互影响做了理论计算并建立了理论模型和实验验证。2000年底,国际化学界权威学术机构——国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure & Applied Chemistry, 简称IUPAC,人们称之为“化学的联合国”), 集中多名世界专家,以组织名义撰写一篇官方的Microelectrodes. Definitions, Characterization, and Applications(Technical Report),对微电极提出后25年来的发展进行系统总结。全世界有关微电极的论文已逾1万多篇,但该技术报告只援引了31篇有价值的文献,陈洪渊的研究论文名列其中,并被重点推介。
3.3 《单细胞时空分辨分子动态分析系统》的研制
2013年,国家自然科学基金委批准了由陈洪渊院士领衔主持,由南京大学联合清华大学、东南大学和中国医学科学院药物研究所四单位承担的重大仪器(部门推荐)研制项目(2013.1-2019.6)。历经五年艰苦努力,研制成世界上第一台“单细胞时空分辨分子动态分析系统”。此系统融合电化学、光谱和质谱方法在单细胞成像分析中各自独特的优势,解决了细胞内分子反应动态过程高时空分辨以及微弱信号精准提取的难题;建立了单(亚)细胞生物分子化学活性分析方法,首次实现了对单细胞内约50纳米尺度分辨的单个细胞器中生物分子活性的电化学检测;创建了单细胞内能量涨落的测量方法及瞬态成像测量装置,首次实现了对单细胞内不同空间位置的传热系数的测定,阐明了不同恒温及变温动物细胞的热量传递和耗散规律,揭示了单细胞内热量产生和耗散的闭环控制机制;研制成极紫外VUV质谱成像装置,利用VUV直接电离生物分子,电离碎片远低于二次离子质谱(SIMS),成像的空间分辨率优于250纳米。该项目于2019年6月完成结题验收。
此前学术界对病变细胞分析一直存在两大难点:一是携带疾病信息的病变细胞数量为个位数,所检关键生物分子数含量极低难以检出;二是检测分子种类多,很多重大疾病发生发展过程中包含多种生物分子的变化,在胞内实现多种分子的联合检测来探究疾病发展原因的难度极大。
而这套测量系统是一个新型工具,可以把它看作是“细胞放大镜”。它有一个先进实用的功能,也是团队攻克的重点之一 ——给每个细胞贴上标签。细胞内的生物分子可以通过这套系统,以数据的形式,清晰地显示出来。以此供人们更加准确地判断哪些是良好细胞,哪些是癌细胞或是疑似癌细胞,为细胞领域深入研究奠定了坚实基础。
这套测量系统的核心成就之一“新型分子探针”可以是一根毛细管,底端连接着仪器,它的前端细至50100纳米,相当于头发丝的千分之一,肉眼是看不见的。探针的尖端相当于仪器的“触角”,通过它可以进入细胞,然后读取细胞中的数据,包括温度、分子的变化等,甚至能追溯致病因子。可以实现单分子识别,在微纳时空分辨下获取单细胞中标志物分子定位、定性、定量及相互作用的信息。将来测量技术进一步成熟,可能会使用到微创获取人体部分细胞样本来开展一些临床试验。利用该仪器的高分辨质谱成像部分正在开展细胞内药物分布分析工作。
为了完成这个项目,陈洪渊殚精竭虑,“虽谈不上每天睡不着觉,但时时感到压力很大,尤其是团队遇到瓶颈问题的时候。”他回忆道,2013年他得到国家自然科学基金委重大仪器项目(部门推荐)经费6 400万元资助,“拿国家基金做科研可不是儿戏,是要负责任的。5年之后,终于有了成果,这颗心才算踏实。”
从风华正茂到鬓染风霜,陈洪渊在南京大学分析化学领域度过了60余载岁月。为了科研,说夙兴夜寐并不为过。
 
4 学以致用,推动学科融合发展
如果说“穷究物性”的科学精神让这样一名痴迷于科学终身不倦的科学家在科学殿堂里有所成就,那么,心系祖国和人民,则更让他跳出专业范畴,以更广阔的视角带领学科锐意进取,行稳致远。
4.1 从本质上认知创新
细胞就像一个小宇宙,每时每刻每处都在发生变化。它是怎么发生的、有什么不同?这种变化的起因、发展和结果如何?陈洪渊说,所有这些都关联着生物分子一系列的相互作用与结构变化过程,十分复杂。
正因为复杂,才更能激发科学家的追寻欲望。所谓“穷究物性”,科学探索由此演进发生,一切科学思考和创新便由此而来。
正因为能够穿过纷繁芜杂的现象看透本质,对于科学研究和科技创新有着深刻而独到的见解,这名与科学研究相伴大半生的科学家,才能够站在学科前沿、引领学科发展方向。
在陈洪渊看来,自然规律本身是客观存在的,基础研究的根本任务和目标就是发现和揭示这种规律,从而掌握这种规律。所谓原始性创新是在方法论上根据自然科学客观规律最先提出解决问题的新方法与新技术以满足人类生产和生活的需求。把物质及其变化的属性搞清楚,在原始性方法论创新理念指导下,技术上的革新和创造才会层出不穷。因此,原始性创新是推动科学发展与社会进步的法宝,是科教兴国和国家民族振兴的灵魂。陈洪渊鼓励分析化学与生命科学等领域的专家密切合作,进行学科的交叉,增强“介入”观念,冲破禁锢和传统束缚,解放思想,争取和承担国家任务和交叉到其他学科领域去,充当参与者的角色,进一步拓宽创新道路,扩大创新视野。
他强调,基础研究要顶天,开发应用要立地;要改变以往孤立的“点状”目标,形成整体性创新“链条”,把各自分割状态的“点”变成相互协作和合作联系的“创新链”。
4.2 做中国的科研仪器
实验室是科学研究的重要基地,而科学仪器则是实验室重要的组成部分。科学仪器既是工具,也是科学工作者进行科学探索认知世界的重要手段。先进的科学仪器是原始性科学创新的利器。
当前,我国在高端仪器与装备方面对外依存度过高,迄今我国每年形成的固定资产的上万亿元投资中,约60%以上用于进口设备。以分析检测仪器为例,近年来我国的销售额仅占全球销售额的0.3%,而且绝大部分为中低档产品。
这种严峻形势在贸易摩擦的背景下让人更加印象深刻。因此,陈洪渊认为,如果我们没有自主知识产权的仪器与装备,科学仪器不能迎头赶上,不仅影响科学技术发展,甚至影响经济和国家安全。反过来讲,科学仪器的创新往往是实现原始创新的捷径。
因此,他并没有停下脚步。他主持了国家自然科学基金重大科学仪器研制专项——“单细胞时空分辨分子动态分析系统”。提出一种以纳米级电化学探针为核心,利用纳米级电化学探针的天然多重特性,将电化学、光学和质谱技术集成在一个微工作平台上,融合微流控芯片、耦联光学-质谱技术发展全新的单细胞分析仪器。项目自始至终以“科学与工程控制论”的整体观,将化学、物理、生命和信息等学科的交叉性,各种物理场及物质相互作用的非线性,两相界面电子迁移、能量交换、物质输运等根本属性在特定过程的一体性和矢量性等基元有机融合,突破局部掩全局和一叶障目的局限,溯原物质世界的“本来面目”,实现项目既定目标。技术核心是时间分辨、空间分辨,包括高空间分辨(电50nm,质250nm)、高时间分辨(10us)的核心和电学、光学、质谱三种方法的配合。该系统耦合了纳米电化学-光学分析和极紫外光解吸/电离质谱技术的集成,大大提高了单细胞分析的灵敏度和时空分辨率的效能,可以定量分析单个细胞器(例如溶酶体等)中蛋白活性;质谱成像系统的VUV解吸/电离质谱单细胞成像部分与商品化SIMS仪器比较,该方法的分子碎片少,灵敏度高,优于常规紫外光解吸/电离以及SIMS(Bi3+源)方法,实现了约250nm的空间分辨,其他指标也都可与国外同类仪器媲美,如VUVDI方法的离子产率、碎片和图像对比度均有明显提高。项目研究成员利用该系统实现了对单细胞内约50纳米尺度的单个细胞器中生物分子活性的电化学检测;测定了单细胞内不同空间位置的传热系数;利用VUV直接电离生物分子,电离碎片远低于二次离子质谱(SIMS),降低了分子重构的难度,成像的空间分辨率达到了250纳米。2019年6月,该项目顺利通过验收。该项目获得成功根本的原因,其一是穷究物性,洞察各种方法的共性和个性;而且,自始至终以钱学森的科学与工程控制论的整体观,将化学、物理、生命和信息等科学的交叉性,各种物理场及物质相互作用的非线性有机结合、统筹考虑,才在新仪器的创制上迈出了一大步。
 
5 桃李不言,下自成蹊
科研上的孜孜以求,行为上的严以律己,陈洪渊院士用自己的一言一行为学生们躬身垂范。
在实际教学和科研过程中,他鼓励学生们独立思考,动手实践,而自己给予更多的则是及时的启发性引导。在他的实验室里,不存在滥竽充数或者混日子,大家都在兢兢业业地工作。陈洪渊院士认为,作为导师仅仅传授知识是不够的,更重要的是要教会学生把握立身之本,建立科学的思维方式,培养他们独立分析问题和解决问题的能力。
因材施教,说起来容易,坚持60余年,恐怕少有人能做到。有些学生基础较差,一开始时写研究论文往往难以令人满意,他就会不辞辛劳地帮他们做大量的改动,一步步地指点他们如何去写好论文。经过长时间锻炼,学生们到最后都能各有所成;对于那些功底较好的学生,他就会放手让他们自由发展,少加干涉,在学生需要时站出来提供帮助。
多年的教学生涯中,他指导出了一大批优秀的学生。1998年他被评为江苏省优秀研究生导师,接着又被评为全国模范教师和全国先进工作者。2001年,江苏省评选的6名“江苏省青年科学家”之中,就有两名是陈洪渊院士的学生。
其实不止是学生,在项目执行过程中,团队成员的原始创新,都能从他这里得到很大的鼓励与支持。在他的支持下,溯源物质性质,从源头上设计各个实验方案成为团队的指导原则。由此也带来了一系列丰硕成果,也使得年轻人快速成长。2015年12月8日,他被授予2015年《自然》杰出导师终身成就奖。
至今,陈洪渊共培养近130余名博士研究生和硕士研究生,其中包括3位长江学者特聘教授、8位国家杰出青年基金获得者,以及2位中国青年女科学家获得者。
 
6 钻研数十载,荣誉纷至
正是由于陈洪渊院士和他领导的研究小组在仿生催化与生物传感、纳米电分析化学和微流控芯片检测以及分析仪器创制等方面开展了系统深入的研究,取得了多项创造性的成果,获得国家和人民的认可。
他曾先后获得国家自然科学奖二等奖(2007年)和三等奖(1982年)各1项,高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖(2001年、2006年)2项,全国科学大会奖(1978年)1项;个人荣获何梁何利科技进步奖(2006年)1项、全国模范教师、全国先进工作者(获5.1劳动奖章)、中国侨联科技进步奖带头人(2002年),以及其他多项省部级奖励。
2001年11月,因在涉及生命、材料科学的电分析化学基础与应用研究的多个前沿领域作出重要贡献,陈洪渊当选为中国科学院院士。2017年,陈洪渊院士当选美国化学会会士(ACS Fellows)。
 
后记
虽年逾八旬,这位心系祖国科学研究事业的院士从未忘“国忧”。他常讲,我国如果不搞仪器,就会变成别人仪器领域的“殖民地”。他认为,随着国家对科学仪器研发的重视,必将会推动科学仪器迅速发展。
作为一名分析化学家,他更牢记使命,时刻将两个“转化”铭记于心:一是把科学技术的新成就新理念转化为定型的测试方法,二是把分析方法转化为仪器装置,从而发挥更大作用,为科学仪器创新和国产化贡献力量。
陈洪渊院士说,只有通过几代人的不断积累,我国才有可能成为分析仪器制造的大国和强国。只有自己制造仪器,才有可能创新。我们要做高端仪器,做买不到的仪器。
穷究物性,敢为人先——必须无止境地探究物质的本性及其相互作用,要琢磨透彻。回顾自己的创新心得,陈洪渊院士的总结颇有“大道至简”的味道,“其实啊,创新说到底就是要老老实实做人,认认真真做学问。”