陳洪淵:原始性創新是21世紀分析化學面臨的最根本挑戰

　　“創新”是推動科學技術與社會進步的法寶，是科教興國的靈魂, 也是國家民族振興的靈魂。本文從幾個方面談談關于如何推動分析化學發展與創新的一點思考和淺見，與同仁們一起探討。

 

　　理念上更新促進原始性創新

　　毫無疑問，創新是科學技術和社會生產發展的需要，它將推動分析化學的發展和變革;分析化學的發展又將作用于科學技術和社會生產。

　　分析化學在20世紀經歷了三次重大變革，如今已進入分析科學時代。有識之士早就預言：“未來的21世紀是光明還是黑暗取決于人類在信息、能源、資源(材料)、環境和健康領域中科學和技術上的進步，而解決這些領域中的關鍵問題將是分析科學。” 這一認識已被越來越多的人所接受。

　　分析化學在科學技術中不可或缺的作用和地位已是毋庸置疑的事實。上個世紀末“人類基因測序”被認為是一項像人類登月一樣的偉大工程，在該工程面臨進展緩慢的困難時，是分析化學家對毛細管電泳分析方法的重大革新，使這項偉大的工程得以提前完成，從而揭開了后基因時代的序幕。當前，后基因組學、蛋白質組學登上生命科學研究領域的制高點, 生命科學則成為主導科學。1999年比利時布魯塞爾發生的飼料二惡英污染中毒事件引起全球消費者的恐慌，導致比利時內閣被迫集體辭職，當時也是分析化學家拯救了比利時。2002年獲得諾貝爾化學獎的三位科學家都是因為率先建立了新的測定生物大分子的方法而獲此殊榮。化學和物理學等諾貝爾獎的得主，約有1/3~1/4是提出創新測試方法的科學家。由此足見分析測試在人類科學技術和社會發展中的重要性。

　　21世紀的四大科學領域，即：生命科學、信息科學、材料科學和環境科學，特別是生命科學與環境科學的發展, 向分析化學提出了更高、更嚴峻的挑戰。

　　盡管分析化學面對的門類繁多，分析方法千差萬別，分析的對象五花八門，但總是要求：測定的方法更靈敏、更有選擇性和專一性，獲得的數據更準確、更快速，涉及的時空尺度更廣闊，得到的信息更多維，測定的體系、環境更微小，所用的樣品更微量等等;而且還要求遙感遙測、或在極端條件下或現場、在體、在線、無損檢測等等。而其中靈敏、準確、快速、自動、智能則是任何時候都追求的永恒主題。

　　當代分析化學吸收了現代各種科學技術領域的成就，利用任何可以利用的物質性質，用來改進老方法，創造新方法，使分析化學不斷向時空延伸，擴大了人類的視野，解決了一個又一個實際問題，為科學技術發展和生產建設提供了有力武器。

　　回顧分析化學的發展可以看出，每當一種新原理的應用或一種新方法的引入，諸如新的化學反應、化學平衡、界面現象、膠囊介質、固定化方法、吸附與脫附、萃取與反萃取、免疫反應、色譜、電化學、光譜(現象學)、傳感器與傳感技術、聯用技術、專家系統、化學計量學、過程控制、圖象檢測、成像技術、軟件平臺、自動化技術、納米科技、生化技術、PCR、激光和等離子體等等都導致了新方法的出現，為科學技術、國民經濟和社會發展作出了貢獻，同時也促進了分析化學學科自身的迅速發展。

　　然而，一般方法的改進可以解決一些實際的分析問題，但這種適用面有限的個案，還只能說“舊瓶裝新酒”、“老樹開新花”。而基于新原理而建立和發展的新方法，則將形成新的生長點，推廣應用到一大片，新理論也隨之產生。這種創新才是源頭的創新。如20世紀后期，基于微機電加工技術在分析化學中的應用而產生的微流控全分析系統，顯示出巨大的優越性，從而成為一種極富生命力的生長點，這是一種源頭的創新。隨后提出的“Lab-on-a-chip”，即“芯片實驗室”，乃是一種新的理念。一種新理念一旦形成，就會帶來一片蓬勃發展的生機!當今，基于“Lab-on-a-chip”這一理念，國際上已經創辦了新的雜志，并已定期舉行了幾屆國際會議。這一研究領域在全世界迅速展開，它將分析化學帶入一個全新的境界，將又掀起一場巨大的革命。回顧分析化學引起巨大變革的歷史，莫不是因新方法導入引起整個理念的變化而形成的。

　　要創新，首先還需要觀念上的更新。在我國的科學界有時也會出現一種重科學輕技術的現象。科學與技術本是一對孿生兄弟，密不可分。固然這二者各有側重，科學重在發現自然規律;技術重在利用自然規律來發明創造新手段、新工具，以解決生產、科技和社會的需要提出的問題。但兩者互相依存，互為因果。分析化學既包含科學又包含技術，它擁有自己的理論體系和內涵，但它又是一門實驗性、技術性很強的學科。本來，技術性強有什么不好?我國為了趕上先進國家的行列，1987年國家不是拿出巨額資金設立“863”計劃，發展高技術嗎?后來為了基礎研究能緊緊跟上，在十年后又設立‘973’計劃。化學本身就是一門實驗性科學，它在20世紀作為核心科學為人類作出了重大貢獻，這自然包含了分析化學的貢獻。就以當今被認為是帶頭學科的物理學，也是理論物理、實驗物理和計算物理，三分天下各居一。科學與技術互相依存、滲透、關聯，各司其職，本來就不能分所謂誰重要誰不重要，誰高誰低的!其實，這一點誰都承認。可是在分配資源的時候，往往就有倚重倚輕之分了。以往，分析化學就因為手中不掌握產品而常受“冷遇”。事實上，世界上科技、生產越是發達的國家，越看得清分析化學學科發展的重要性。例如前面提到的美國在執行“人類基因組計劃”過程中發現進展緩慢的原因時，有識之士立即加大對分析方法研究的投資力度，結果分析化學家引進陣列毛細管電泳而創造了基因測序大大提前的奇跡，這給人類帶來何等的福音!被認為科技超級強國的美國，當今大約20萬化學家中就有1/5為分析化學家，在各個技術部門尤其在生命和環境科學領域發揮著至關重要的作用，歐洲和日本也如此。我國的分析化學應當為科教興國、奔赴小康，努力挑起重擔，為實現國家的四個現代化作出更大的貢獻。

　　事實上，分析化學的創新任務特別艱難而繁重!分析化學家更需要敬業、執著，沖破禁錮，解放思想，自強不息，大膽創新。“創新”從某種意義上說是長期潛心、執著研究的積累在特定情況下的閃光，掀翻束縛而在目標方向上的突破，使科學和技術有了跳躍式的前進。創新既不憑空想象也不靠運氣，而必然孕育于積累，而后才能產生靈感和躍進。當代科學技術的創新，還必須付出極為辛勤的勞動，是“十年磨一劍”的結果，甚至要花畢生的精力。

　　總而言之，分析化學尤其在生命科學和環境科學中的重要性已毋庸置疑，分析化學是大有“創新”可為的;加大對分析化學的支持力度是推動分析化學發展以滿足客觀需要的必要條件。然而分析化學家更新觀念亦非常重要，從理念上創新走向源頭創新，這是分析化學發展的關鍵。我們相信，基金委對分析化學發展的重視正是基于戰略上的思考。

 

　　樹立“以人為本、兼收并蓄、服務為先”的理念，加強為國家目標服務的意識，以任務推動學科發展，以創新支撐學科建設

　　分析化學要創‘品牌’，要做出重要貢獻，不斷滿足需要者的期待，才能得到更多的支持。分析化學的研究對象是如此之廣泛，當今需要分析化學介入的機會又是如此之多，只要我們介入的意識加強，路子就會越走越寬。我們探討解決問題一定要有新思路，樹立“以人為本、兼收并蓄、服務為先” 的理念。“以人為本”就是：尊重人才、愛惜人才;支持科學家進行好奇心驅動下和情有獨鍾的研究，以尋求新發現;鼓勵探索，寬容失敗;弘揚科學精神，提倡學術爭鳴，廣開言路，保護不同意見;構建創新環境和營造創新文化。“服務為先” 就是把解決問題放在第一位，即使是搞基礎研究，同樣也要增強為社會服務的意識;對于原始性創新，也不能游離于國民經濟發展的進程之外，應緊緊圍繞現代化建設的需要開展科技攻關，到科技的第一線去尋找核心的科學問題，積極將自己的科技成果移植到新的領域，或轉化為現實生產力，為經濟建設服務。不管曾有人說過什么“科學技術是第一生產力，但分析化學好象是第一只饅頭，人家吃飽了肚子只承認是最后一只饅頭的功勞”。分析化學有為科學與技術發展和國民經濟服務的職能，責無旁貸。其實，任何一門科學和技術都要服務于社會、服務于其他的科學技術領域。服務面越廣，越反映了社會對它的需要。“在服務中求支持，以貢獻求發展”這是當今商品經濟社會的基本原則，也是分析化學求發展的一種策略。因為廣泛的社會需求，分析化學工作者在國內外都是最容易就業的。眾所周知，計算機科學這一門學科長期成為人們最熱門的專業，就是因為它能為全社會各行各業服務，任何一個部門都需要它。今天，分析化學總是面臨挑戰，所要解決的問題總是永遠沒有完結的時候，這就要求分析化學家不斷提出解決問題的新方法和新策略，同時，也賦于分析化學以無限的機遇。試想，如果失去了服務對象、生產出來的產品沒有人需要的工廠還不是就得關門大吉。任何學科領域也都是如此，沒有被人需求的學科是沒有前景的。事實上，檢測和量度在人類活動的所有方面都是最要緊的，也是無止境的，所以分析化學是最有生命力的學科之一。21世紀的生命科學、環境科學、材料科學和能源科學等領域迫切地要求分析化學發展各種新的測量和表征手段以解決其疑難問題。尤其是作為本世紀科學發展的中心和主導科學的生命科學，基于其研究體系的復雜性，使分析化學面臨巨大的挑戰。這種挑戰性構成了分析科學將成為未來生物學和生命科學發展的中心。不僅是生命科學的研究，當代四大科學領域(生命、信息、環境、資源)、五大危機(人口、糧食、能源、健康與環境)以及與國家安全相關高技術中一些問題的解決都十分仰賴于分析化學的發展。

　　因此，當前分析化學與生命科學等領域的專家密切合作，進行學科的交叉，增強‘介入’的觀念，沖破禁錮和“傳統”的束縛，解放思想，更有利于我們躋身去爭取承擔國家的任務和交叉到其他學科領域去充當參與者的角色，進一步拓寬創新的道路，擴大創新的視野。當今社會，學科的發展是由需要和任務來帶動的，但卻決不能代替學科建設。學科建設是分析化學發展的核心，應以創新作為學科建設的內涵和支撐。

 

　　要重視分析儀器裝置的研制

　　分析化學家需要時刻記住二個“轉化”：第一是把創新理念轉化為定型的分析測試方法;第二是把分析方法轉化為儀器裝置(或儀器)。自從20世紀中葉以來，物理學、電子學和計算機科學以及生物學的交叉滲透，各種各樣的分離、分析測試方法應運而生，分析化學家運用這些現代化的手段以各種創新的理念建立起各種巧妙的方法為科學技術和生產建設解決了一個又一個分析難題，擦亮了人類的“眼睛”，把視野延伸到更廣大的時空范圍和極為微小的世界。然而，多數分析化學家還仍然只習慣潛心于用現有的儀器設備去尋求新的分離、試測方法以解決面臨的問題，還不善于把許多創新成果用來創造出新型的測試工具，以發揮更大的作用。只有很少數的分析化學家從事分析儀器的研制和開發，將新原理用于創造新儀器。目前大部分分析測試儀器都是由其他科學領域的科學家和工程師完成的。

　　科學儀器、儀表是科學數據的源泉。分析儀器是科學儀器中重要的分支。我國的分析儀器制造業與先進國家的水平差距甚大，大部分高級、大型的分析測試儀仰賴進口。在當前知識經濟主導的時代，如果我們沒有自主知識產權的技術與裝備，我們的產業將淪為殖民地式的經濟;如果我們的科學儀器(包括分析儀器)產業不及時趕上，不僅影響科學技術的發展，亦必將危及經濟甚至國家安全。但是，分析儀器水平的提高受制因素很多，可謂積重難返，根本問題的解決帶有綜合性和全局性。但無論如何，從戰略高度鼓勵更多的分析化學家與相關領域專家攜手積極從事、參與分析儀器的研制和開發，已勢在必行，分析化學家尤須加以高度關注。建議基金委從基礎研究角度出發對基于新原理、新方法的分析儀器的研制專項加大支持范圍和力度。

 

　　自然科學基金堅持正確的定位是原始性創新的有力保證

　　我國自然科學基金制度自建立以來對我國自然科學基礎研究的發展和壯大起到巨大的歷史作用，取得了輝煌的成就;培養造就了一大批學科帶頭人，建立了壯觀的學科隊伍，奠定了21世紀科技發展的堅實基礎。我國的自然科學基金資助的范圍、強度都有了很大的發展。制度更加健全、完善，作用進一步發揮。

　　在國際科技競爭日益加劇的今天，如何加速‘源頭創新’就成了基金資助中需要解決好的關鍵問題。我認為，只要堅持定位在支持“基礎和應用基礎”研究;繼續營造寬松的創新環境，并有充分的自由空間;倡導優良的(嚴謹、求實)學術風氣，提倡自由競爭，百家爭鳴，又鼓勵合作、發揚團隊精神;規范評審標準，完善評估體系。這樣，原始性的源頭創新就有了肥沃的土壤。

　　基于分析科學的特點，國際上公認的熱點研究領域必須趕超，有些未取得共識的‘冷門’課題如提出理由充分也可以考慮支持。當前盡管基金評審已有一套完整規范的方針、原則與方法，但在實際執行中尚需評委的公正和識別能力，建立一支優良的評審隊伍就特別重要。基于基金額度的增加，科研單位和高校設備的日益改善，在對待重點項目或重大項目參加單位數方面不必限制過嚴，可視實際情況應有適當的靈活性，并以多設重點項目為好。又如由幾個單位用不同方法、途徑或甚至用同一方法、途徑同時去迅速攻克同一個核心的科學問題，也應該是被允許的。關鍵是要看解決的科學問題是否經過凝練，研究的目標是否集中、明確。

　　基金通過項目資助培養和造就了大批高級的基礎性研究人才。如果說高校和研究單位是定點的培養方式，那么，基金資助則是定位在以學科前沿交叉領域為靶標的動點和滾動的人才培養方式，這種方式更具社會實踐性和針對性。今后，如何更有計劃、由步驟地進行還是一個值得研究的問題。

 

　　分析化學的前沿領域和其中的關鍵問題

　　(1) 生命科學中的分析化學

　　分析科學要與解決生命科學的核心科學問題相結合，建立各種分析化學平臺、信息的加工與整合系統。生命體系自身的各種復雜過程棗化學過程、物理過程，迫切需要超高靈敏度、選擇性、在線動態跟蹤、單細胞實時分析、單分子檢測技術等有效的分析方法，提供高通量的生物信息和數據。更確切地說，生命科學要求分析化學：

　　a. 靈敏、選擇、無損探測;

　　b. 活體-實時-動態跟蹤，單細胞、單分子分析;

　　新的生物活性分子的發現、分離、提純和表征技術;

　　微量和超微量生物活性物質的原位、實時、在體和在線分析。

　　以下幾點是當前生命科學研究的熱點，其中有大量的分析化學問題需要解決，分析化學問題已成了研究工作進展的瓶頸。這些熱點是：

　　后基因組學棗基因診斷、基因療法、基因藥物開發棗疾病預警;反基因武器、生物分子電子技術、仿生技術棗未來戰爭與防衛的戰略

　　蛋白組學棗如小分子與蛋白質、核酸等大分子作用引起其構象的變化并影響其功能;糖-蛋白化合物結構多樣性如何決定其功能的多樣性;真核細胞周期調控中的蛋白質磷酸化作用等。

　　微流控芯片全分析系統(Lab on a chip)

　　生物芯片、生物傳感器和生物信息學

　　生物分子電子器件

　　細胞分析化學

　　單分子、單細胞分析以及實時活體分析

　　重大疾病的預警與臨床快速檢測

　　膜分離技術

　　中草藥有效成份分析棗指紋圖譜

　　化學計量學在生命科學中的應用

　　高分辨的成像和結構、形貌分析棗AFM、SECM、STM、X-衍射技術、NMR以及計算機信息分析技術，很大程度上促進了生物大分子三維結構研究的發展。

　　SARS等傳染性疾病的快速鑒定

　　濫用藥物的監控及分析

　　生命體系復雜過程中的分析化學研究

　　化學生物學及其相關問題：藥物作用靶點的識別研究;組合化學藥物合成的篩選;高通量的藥物分析化學

　　各類大小生化分析儀器、臨床分析儀器

　　生命科學的發展，提出的問題和挑戰，為分析化學的發展提供前所未有的機遇。我們要充分認識自然、學習自然，利用自然變化和變遷規律棗生物科學的成果，克服傳統分析化學中的不足與弱點，發展分析化學的新概念和新思想。如基因檢測研究帶動了20世紀整個生命科學的迅速發展，可以預計，在21世紀相當長的時期內，基因研究仍將繼續推動生命科學研究向縱深發展，基因檢測不僅對生物學研究至關重要，而且對臨床醫學、環境監控、法學鑒定等領域具有極其重要的意義。這里要特別強調一下納米技術在生命科學中的作用與價值。最近由美國的Deamer(加州大學)和Branton(哈佛大學)等研究小組首先提出的納米通道(Nanopore)技術引起了世界各國科學家的關注。這種納米通道技術可以對基因快速測序，并且能多組分(高通量)快速檢測。將它用于單分子、單細胞的研究，可以克服AFM的缺陷棗分子需要固定化，可以直接在溶液中測試。這種技術剛剛起步，有待進一步研發。納米技術還用于人工器官、介入性治療、藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等方面，其中有大量化學和分析化學的問題有待解決。

　　(2) 環境科學中的分析化學

　　世界各國都極為關注可持續發展的問題，而首當其沖的就是環境保護，綠色化學亦應運而生。分析化學介入環境化學與綠色化學的核心問題，特別要關注以下各項：

　　環境分析化學

　　環境過程化學與分析化學

　　環境生化分析

　　綠色化學中分析測試問題

　　環境分析測試儀器

　　(3) 材料與信息科學中的分析化學

　　納米材料的結構分析

　　納米材料的可控組裝及表征

　　納米材料的譜學分析、界面表征

　　納米材料及其成像技術在分析檢測中的應用

　　納米材料在生命科學研究中的應用

　　以上這些研究方向今后應得到加強。

　　信息科學與分析科學交叉而產生的“多傳感器信息融合技術”需要引起特別的重視，它源自軍事科學中的電子對抗，可以從復雜的體系中識別和檢測特定的微弱信號，目前在許多領域已得到應用。如它能在生命科學中生物信息流的研究，對細胞內信號的傳導、電信息流的整合、檢測的研究中成功的應用，必將能獲得高通量的生物信息。

　　(4) 過程化學中的分析化學

　　化學學科應是由化學和化學工程兩大部分構成。可是長期以來，這兩大領域有許多脫節。化學過程中分析化學問題的研究是今后必須得到加強的領域，尤其是石油化工工程的質控及在線分析以及酶生產工程中的分析問題。

　　(5) 發展分析化學的新原理、新技術和新方法

　　分析化學的源頭創新和擁有自主知識產權必然基于新原理、新方法和新技術的應用，尤其是新理念的產生和實行。因此，下面的研究內容應是中、長期規劃中的重要方面：

　　發展基于新原理的分析方法和相應的儀器

　　分子自組裝及其分子器件

　　仿生催化與納米分子電子器件

　　極端條件下的分析測試

　　分析儀器的小型化、微型化和智能化

　　聯機技術智能化

　　各種傳感器和超微電極的研究

　　新分離和富集方法的研究

　　“數據融合”在分析化學中的應用

　　微流控芯片、生物芯片

　　防生化武器的高效、小型測試儀器

　　化工生產和過程化學中的在線分析等等

 

　　科研管理體制及運行機制的改革

　　科研管理體制及運行機制將對創新環境產生極大的影響。鑒于分析化學學科要求知識面廣和需要熟練掌握各種分析測試儀器的特點，學校分析測試中心應該成為培養分析化學專業研究生(碩、博士)的實驗基地，以提供更多的實驗條件，使培養的學生更能適應社會的需要。各單位分析測試中心集中了大量國外進口的高級儀器，和一批有豐富工作經驗和水平的教授及實驗技術人員，但由于職能定位、管理體制和一些政策性的問題沒有妥善解決，往往不能充分發揮他們的作用，產生這樣或那樣的問題。目前，對實際存在的問題需要認真研究，及早妥善解決。各高校分析測試中心可以與本單位的分析化學學科共同建設學科和培養人才;各校之間亦應相互交流，推廣先進的經驗。總之，真正解決好分析測試中心的定位和管理體制等問題，對促進分析化學學科的發展和推動國家任務的完成是極為重要的。

 

　　陳洪淵院士簡歷

　　1937年　出生于浙江三門。

　　1961年　畢業于南京大學化學系。

　　81-84年　為德國Mainz大學訪問學者。

　　1985年　任南京大學分析化學專業主任。

　　86、89年　兩次重訪聯邦德國。

　　1998年　被評為江蘇省優秀研究生導師。

　　2001年　當選為中國科學院院士。

　　現任南京大學分析科學研究所和化學生物學研究所所長，南京大學教學委員會副主任，教育部科技委員會委員、化學化工部主任，全國化學傳感器專業委員會副主任，《高等學校化學學報》和《分析科學學報》副主編，《中國科學》、《中國化學(英)》、《分析化學》、《色譜》、《化學研究與應用》等期刊編委。