作者:郑千里 孙智波 罗芳 来源:中国科学报 发布时间:2017/9/8 9:56:15
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她究竟是何“波长”与“频谱”?
中科院波谱与原子分子物理国家重点实验室管窥

叶朝辉院士(左)和薛敏董事长(右)共同为中科联影医学影像联合实验室揭牌。 

左图:国家大型科学仪器中心———武汉磁共振中心;右图:十米喷泉式原子干涉仪。

■郑千里 孙智波 罗芳

引子

她经过三十年来的持续稳健发展,已成为磁共振波谱学与原子分子物理学创新研究基地,实现了从基础到应用基础到高技术辐射的完整链接,在国际上具有重要的影响力。

在波谱学领域,面向化学和生命分析,重点开展磁共振波谱方法学和谱仪技术研究,充分发挥大型科学仪器平台作用,引领了我国多学科交叉的磁共振波谱学发展。

在原子分子物理领域,开展精密测量物理研究,实现了从原子分子量子态调控到原子离子频率高精度应用,尤其在原子频标方面形成了“探索一代、研制一代、应用一代”的发展格局。这个国家重点实验室(以下简称国重室)究竟是何“波长”和“频谱”?最近笔者走进武昌小洪山西30号一探究竟。

一、 精神传承 首批入围

磁共振波谱学科生命之树常青,由老所长王天眷先生于1961年初创立。经科学家和技术专家多年的不懈努力,在波谱及核磁共振谱仪等方面先期就奠定了基础。

1985年,中科院高层远见洞察,建立首批对外开放的18个实验室,波谱与原子分子物理开放研究实验室入选。1986年,国家计委为加强和推进我国基础研究,着手建设国家重点实验室。在原武汉物理研究所叶朝辉等老一辈科学家的积极努力下,波谱与原子分子物理国家重点实验室通过国家验收并正式对外开放,抢占了先发机遇。1996年,原武汉物理所与武汉数学物理研究所合并组建武汉物理与数学研究所(简称物数所),波谱与原子分子物理国家重点实验室随之进入新的发展期。

“工欲善其事,必先利其器”,国家给予110万美元(约380万元人民币)启动经费,叶朝辉果断决策,动用这笔外汇的“大头”,购买了科研必不可少的400MHz固体核磁共振谱仪及相关设备。

叶朝辉院士1942年出生,大学毕业后一直从事波谱学与量子电子学的研究,是我国固体高分辨核磁共振研究的创始人。他目光高远,抓住“平台”和“人才”建设两个关键因素,把握并管理国重室、研究所的发展朝向,使其在国家层面体现“引领”的重要性,是众人交口称道的战略科学家。

“叶老师带领我们进行前瞻性战略思考,很多规划和建言也都在国家层面被采纳。”物数所副所长周欣坦言,他本人于2009年从美国回到国重室从事科研,很大程度上也有感于叶朝辉的科研情怀和个人魅力。

“我们在这里读书,毕业后全身心投入工作,这与科学精神的传承有很大关系。”周欣说,“国重室在国际舞台上有一席之地,具有较强的科研竞争力,不是东一榔头西一棒子地做科研,什么热门就跟风做什么。”

二、 左膀右臂 势在必得

1995年是中科院实施“百人计划”第二年,物数所只有一个名额,求贤若渴的叶朝辉国内外遍寻英才。听一位老科学家推荐詹明生,他立即到中科院安徽光机所,登门邀请詹明生加盟国重室。詹明生到来后不仅加强了原子分子物理研究实力,还率先建成了国内首个冷原子物理实验平台。

1995年中科院刚开通因特网,叶朝辉领衔的国重室也最早启用了电子邮箱。有一天叶朝辉喜出望外,收到刘买利从英国伦敦发来的信件。叶朝辉当即回信说:“你的文章我早已关注了。”

随着刘买利对物数所的进一步了解,他表达了1996年10月在英国伦敦大学化学系获得博士学位后可以到武汉做博士后的愿望,得到叶朝辉的热忱欢迎。

“刘买利给我们增添了新鲜活力,他在这里做科研很开心。”时隔21年,叶朝辉院士回忆说,“他在海外读博前是西北大学分析测试中心副主任,读博时搞的多量子核磁共振是我本人倾心的科研领域,我关注他的优秀文章顺理成章。”

血清等生物样品以水作溶剂时,由于水质子的浓度比生物分子的浓度高5到6个数量级,要检测其中一些物质的含量,只有抑制水的共振峰才能获得有用的信息。

被叶朝辉引进到国重室工作的刘买利很快就开创了科研新局面,团队发展出4种新的实验方法和一个理论模型,其中具有高效率和高选择性的溶剂峰抑制峰法W5,被主要核磁共振设备厂商作为标准方法提供给用户,就是因为W5在抑制效率、选择性和作用时间上具有明显优势。

目前,使用W5方法的研究人员星罗棋布,包括美国在内的20个国家的近百个实验室或单位,分别用于蛋白质、DNA/RNA、多糖等生物分子结构和动力学的核磁共振研究。

詹明生和刘买利前后脚到来,既成为国重室的生力军,也成为叶朝辉得力的左膀右臂。叶朝辉卸任后,他俩先后出任研究所的所长。

三、 立足平台 潜心研究

詹明生建立实验平台,围绕冷原子物理与基于原子的量子信息,潜心开展科学研究,实现了十二米原子喷泉、单原子囚禁和原子阵列旋转、量子比特操控、异核原子受控碰撞等。

2015年7月,詹明生和王谨课题组厚积薄发,在微观粒子等效原理检验方面取得了重要进展,提出并实现了新的四波双衍射拉曼冷原子干涉方案,利用双组分原子干涉仪开展检验弱等效原理的实验,检验精度达到10-8,实现了微观粒子等效原理迄今为止最精确的实验检验,相关研究成果发表于《物理评论快报》。他们利用两种原子干涉仪,巧妙构建了一个微观世界的比萨斜塔实验:用原子喷泉和受激拉曼跃迁技术,实现两个同步自由落体的原子干涉仪,成功测量出两种原子重力加速度是否存在差异。

邓风长期从事多相催化和材料化学的固体核磁共振研究工作。他认为,科研中有苦恼也有乐趣。

金属锌的核磁共振很难做,邓风课题组明知山有虎偏向虎山行,经过多年努力,第一次在实验上看到催化剂上含量只有2%的金属锌的核磁共振信号,而且信号增强了16倍。

邓风将相关论文投寄出去后,第一个审稿人认为该工作一文不值,其他三个审稿人都给予了高度评价。邓风不服气,要求主编重新找人审稿,直到主编找到第五位审稿人,这个关于沸石分子筛催化剂活性中心协同效应的固体核磁共振研究的新进展才终于问世,2016年11月在线发表于《德国应用化学》。

邓风外表温文尔雅,实则有一颗强大的内心:国际同行因为偏见难免走眼,但做好科研要坚持真理,有敢于“叫板”的底气。

唐淳是“国家杰出青年科学基金”获得者,他正因为看好国重室的环境和氛围,2009年放弃在美国已经做了两年助理教授的位置,选择来到物数所做“百人计划”。2012年他获得美国HHMI国际青年科学家奖时,当年全球共有28人,我国仅有7人获此殊荣。

四、 审时度势 学科交叉

2000年在磁共振国际学术会议上刘买利遇到雷皓,因为研究方向彼此倾心。第二年他俩又不约而同在夏威夷参会,经刘买利的动员,雷皓来到物数所做“百人计划”。

雷皓回国后最初的科研方向,是一个关于嗅觉系统的锰离子成像的基金项目,不想却受到当时远在美国的徐富强的关注。

2002年至2007年,徐富强在耶鲁大学任副研究员,用磁共振开展嗅觉系统的研究,看到雷皓发表的相关论文,触发了到武汉工作的意愿,当即写了封邮件与未曾谋面的雷皓联系。

雷皓知悉徐富强有回国发展的意愿,当即申请中科院的高访项目到徐富强实验室。

雷皓在耶鲁大学做访问学者的三个月可谓“一举两得”:既为徐富强被引进到武汉工作厘清头绪,建立起推介的绿色通道;同时顺利写出有关盲人脑功能核磁成像的论文并发表。

“徐富强的年资比我大许多,如果当时我没有申请第一个基金项目,或许就不会从美国引进徐富强。”雷皓回想这段经历时如此感慨。

徐富强有美国化学和分子生物学双博士学位,作为中科院“百人计划”入选者,他2007年初从耶鲁大学来到武汉,年底就获得“国家杰出青年科学基金”资助,多年来利用磁共振脑功能成像、分子生化和电生理等方法,研究基础嗅觉系统的神经科学,包括与重大疾病之间的关系,成果颇丰。

叶朝辉院士和刘买利主任早年审时度势,认为生命科学中的脑科学和蛋白质科学不仅关系民生,也已成为核磁共振波谱学研究中最为活跃的领域,决策以生命科学为牵引,不断进行学科交叉,逐步使国重室的波谱学研究从物理、化学领域延伸到生命科学领域。

2000年后,国重室的磁共振波谱学科通过中科院“百人计划”和中组部“千人计划”,先后引进一批有物理、化学、生物背景的青年人才,培养和引进相结合,其中邓风于2004年、徐富强于2007年、唐惠儒于2008年、唐淳于2012年、杨俊于2014年、周欣于2016年分别获得“国家杰出青年科学基金”资助,团队迅速发展壮大,并于2009年获得国家自然科学基金委创新研究群体的资助。

2008年,以国重室的磁共振波谱学科作为基础,武汉磁共振中心正式挂牌。该中心作为全国17个大型科学仪器中心之一,为全国波谱学提供支撑和服务,并且定位明晰:以核磁共振技术为主,开展科学研究、技术支撑、学术交流和交叉型人才培养;将物理、化学、生物学、医学多学科进行充分交叉。

五、 静心“入定” 出神入化

柳晓军曾在发达国家从事五年多的学术访问及博士后研究,他认为自己海外学成归来,在国内做原子分子物理研究,武汉物数所的国重室无疑能提供最好的平台。2006年8月,柳晓军作为中科院“百人计划”入选者,愉快地来到物数所工作。

建立研究平台是个较折磨人的过程,柳晓军向叶朝辉、詹明生等师长学习,做到尽快“入定”。一切从零开始,他和学生一起拧螺丝、抽真空、调装置、测信号。有几个月的时间,获得的电子谱信号跟物理上的预言不一样,排除各种因素后,最后发现是加工的磁屏蔽系统的去磁效果不好,看起来这是个小问题,就是因为当时忽略了加工精度可能造成的实验偏差,但却耗费了大量时间。2007年底,柳晓军终于在装置上观测到了高分辨电子谱信号,“给我的教训和启悟就是:做科研要一板一眼、扎扎实实,任何一个微小细节都将决定最后成败”。

2009年,35岁的柳晓军获得“国家杰出青年科学基金”的支持,成为当时我国原子分子物理领域最年轻的“杰青”获得者。在成功研制出首套电子谱仪基础上,2010年他争取到中科院仪器研制专项,进一步瞄准原子分子中的超快多体关联效应研究前沿,研制可进行电子-离子符合测量的高分辨动量成像谱仪。该设备的研制涉及超高真空制备、电磁场精确控制、荷电粒子的动量高分辨测量等多项关键技术,要有100%的耐心和细心。在设备最终调试的整整三个星期中,柳晓军几乎都是在“入定”中度过。

只有“入定”才能够出神入化。在超快强激光与原子分子相互作用研究方面,柳晓军因为能够“入定”,在《物理评论快报》等期刊上发表SCI论文60余篇,受邀为美国物理学会综述性期刊Reviews of Modern Physics撰写研究领域评论文章,做出了一系列重要的科研成绩,成为我国该科研领域的新锐。

六、 不负嘱托 自主研发

核磁共振波谱仪在科教、生产及人类生活的各个领域中,日益凸显出越来越重要的作用,研究和生产受到发达国家的高度重视,年产值达数百亿美元,而我国的核磁共振波谱仪至今主要依赖进口。

2006年,国重室承担了国家科技支撑计划“300MHz~500MHz核磁共振波谱仪的研制”任务。在叶朝辉嘱托下,刘朝阳经过3年努力,不仅初步建立了核磁共振仪器研发平台,还研发成功国内首台具有自主知识产权的500MHz核磁共振波谱仪,总体技术达到国际同类产品水平,具有高分辨率等优点,且成本仅为同类产品的三分之一,实现了自主研制的现代高场核磁共振波谱仪从无到有的突破,填补了国内空白。

刘朝阳是国重室自行培养的青年科研骨干,他2001年博士毕业后,承担国重室及武汉磁共振中心的技术支撑工作,同时还负责原子频标电路系统的设计与研制。中科院2009年度“现有关键技术人才”,全院共有19人入选,刘朝阳荣列其中。

2011年,刘朝阳继续承担科技部重大科学仪器设备开发专项项目,着手开展500MHz超导核磁共振波谱仪的产业化工作。目前500MHz超导核磁共振波谱仪名声在外,已在医院和科研单位进行试用。英国牛津仪器公司一路寻踪,经过几年来对我国市场环境与产品技术的调查分析,已与技术团队开展实质性合作,建立了国内唯一的高场核磁共振波谱仪生产基地。

七、 曲径通幽 “点亮”肺部

以原子分子物理的基本原理为基石,若朝着应用领域拓展可以做成频标,若能够与波谱有机结合,就能创新产生新的仪器。

周欣从物理走到化学,从生物再走到医学,其走过的曲径通幽科研道路,也符合核磁共振学科国际发展的大趋势。

周欣在国重室读研期间,因为当时核磁共振波谱仪资源紧张,实验要事先约机,学生一个学期只能约一次,根本满足不了自己的实验要求,于是他找了刘买利和詹明生,提出自己修旧仪器并加以利用的方案,得到了两位领导的认可和支持。

周欣花了整整一年时间,修复利用80MHz的旧谱仪,把核磁共振波谱仪的硬件构造搞得一清二楚。

花那么多精力修理仪器有人质疑,周欣却乐观地回答说:如果我不修仪器肯定不能成功,修了仪器就有可能取得成功。即便仪器修不好我也算学了一门技术。

相比于其他人做核磁共振技术、方法和应用研究,专注修理仪器的他在当时算是“非主流”,周欣曾三天三夜没睡觉,但修仪器对他的科研人生帮助很大。也正是锻炼了科研中的动手能力,让周欣成为物数所第一个去哈佛大学做博士后的人。

2012年,周欣争取到基金委国家重大科研仪器研制专项(部委推荐)——“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统研制”,这和周欣硕博连读时修仪器奠定的扎实功底大有关系。

2015年9月7日,传统技术手段无法检测的肺部空腔被“点亮”,周欣团队获得中国首例肺部病人的气体磁共振影像,各大媒体争相报道。“超极化气体肺部磁共振成像技术能够无侵入、无放射性地可视化肺部通气和气体交换缺陷,为早期肺部疾病提供了全新的影像学技术。”中南医院放射科主任如是介绍。

该项技术还对肺部的气血交换时间、气血交换膜厚度、肺泡表面体积比等参数进行定量研究,能成功区分健康与病灶组织。影像图显示出以往无法检测到的患者的肺部通气缺陷区域,为临床治疗提供依据,特别是有助于肺部肿瘤疾病的早发现、早治疗。

周欣带领的团队心无旁骛,目前正尽快完成临床前研究,期望超极化气体肺部磁共振成像技术未来几年内实现临床应用。

八、 北斗“钟情”三部曲

梅刚华也一直在释放自己的“电磁波”。早年他是原子分子物理研究骨干,1996年博士毕业不久,就当上研究所科研处处长。此时我国卫星导航技术发展战略已见端倪,正在筹谋建设北斗卫星导航系统。卫星导航系统是通过精密时间测量实现精确定位导航的,导航卫星的心脏就是星载原子钟。

时任研究所原子频标研究室主任的朱熙文研究员已年满60岁,需要找一位能接替他的学科带头人,负责研究所承担的国内第一个星载原子钟预研项目。梅刚华是最合适的人选。在时任所长叶朝辉的支持下,“屁股都还没有坐热”的梅刚华挪动位置,从科研处长改任原子频标研究室主任,从此钟情于北斗系统。

当时我国的铷原子钟性能比美国相差两个数量级,但是在单元关键技术攻关中,梅刚华和他领导的团队没有一味“跟跑”,目的是为了将来实现整体技术上的“并跑”和“领跑”。他们在上百次实验的基础上,发明了一种新型微波腔,可以利用小体积原子气室激励出高强度原子信号,成功申请了美国专利和中国专利。

基于这种微波腔,他们设计了分离滤光的“三泡”式物理系统。这是一种全新的铷原子钟设计方案,为实现铷钟的高稳定度指标起到关键作用。

2005年,星载铷钟进入工程化样机研制阶段。为了能在一个以基础研究为主的科研机构里,研制出符合严格制造规范的航天产品,研究所专门组建了技术发展处和质量办公室两个新部门,建立了完备的质量管理体系。

2007年,梅刚华团队开始批量生产正样产品。为了保证产品质量万无一失,他们不放过每一个技术隐患。有一次,单是为了解决一个质量问题,他们就连续工作了半年,最后按照“定位准确、机理清楚、措施有效、故障复现、举一反三”的要求完成了技术“归零”。他们提供的星载铷钟产品,电性能指标达到了美国GPS系统大多数星载铷钟的水平,为我国建成北斗二号区域导航系统发挥了关键作用。

2012年,北斗工程进入北斗三号即全球系统建设阶段。此时GPS系统星载铷钟精度指标又提高了一个量级,如何将近一个量级的差距补起来,使我国的星载铷钟达到国际并跑甚至领跑水平,成为摆在梅刚华团队面前的新任务。梅刚华带领团队进行了更加深入系统的技术攻关,进一步改善了原子信号的信噪比,降低了电路系统的噪声,减小了环境电磁场和温度变化影响,使铷钟精度提高到优于十亿分之一秒的水平,成为目前世界上精度最高的铷钟。

梅刚华团队研制的星载铷钟,指标大约每5年提高1个量级。他们用不到20年的时间,走完了美国人40多年走过的路,使我国的星载铷钟技术实现了从无到有、从有到强的“三部曲”跨越。

2015年,梅刚华领衔完成的“高性能星载铷原子钟原子信号增强与稳定关键技术”荣获国家技术发明奖二等奖。2016年,北斗二号卫星工程荣获国家科技进步奖特等奖。由于在突破北斗工程技术瓶颈——星载原子钟方面的贡献,武汉物数所成为获奖单位之一,团队负责人梅刚华成为获奖个人。2017年5月,梅刚华荣获首届全国创新争先奖。

九、 精密测量 肩负重任

原子分子物理研究的一个重要发展方向是精密测量物理。精密测量物理学科是随着原子钟、时间频率的高精度传输与比对、原子干涉仪等相关实验技术发展而逐渐成熟起来的新型学科。国重室与时俱进,将精密测量物理纳入重要发展的领域之一。

5年前,叶朝辉等倡议设立的国家自然科学基金委精密测量重大研究计划正式立项;2015年“精密测量物理”二级学科申请获批,并纳入中国科学院大学学科培养点;2016年,叶朝辉牵头承担中科院战略性科技先导专项(B类)——基于原子的精密测量物理。国重室的精密测量物理研究在全国起到了引领作用。

钙离子光钟是精密测量物理的一个重要内容。“原子与分子物理是比较古老的学科,在古老的学科里要做出新成就比较难。要有一个积累的过程,五年十年可能都不会有结果。”作为钙离子光钟研究的“973”首席科学家,高克林回顾说,“我们要做最好的。叶朝辉先生起带头作用,一直都在鼓励我们前行,我也对学生讲频标的精神,这是原子分子物理发展的动力。”

早年有些人对光频标不太看好,且高克林读书时学的是等离子体专业,叶朝辉给半路出家的他鼓劲说:只要认准方向,能在科研中甘于寂寞,我就支持你!

2011年,高克林领导的囚禁离子物理研究组经过10年艰辛努力,突破了系列关键技术,成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”。

2012年和2015年,该团队两次测量的钙离子光钟绝对频率均被国际时间频率咨询委员会采纳,更新了钙离子光频跃迁的频率推荐值,同时使钙离子光钟成为国际秒定义众多推荐值中的有力竞争者,为我国参与世界时间标准制定争得话语权。

2016年,高克林团队再次突破系列关键技术,研制出精度E-17的钙离子光钟,成为国际上指标最高的钙离子光钟。

十、 科教融合 天工开物

国重室历来重视科教融合,先后培养了千余名博士和硕士研究生,近百人次获得包括国家奖学金、中科院院长特别奖/优秀奖、中科院优秀博士学位论文等各类国家及省部级表彰或奖励,曾数次有优秀学子被选拔出席德国林岛“诺贝尔奖获得者大会”。

国重室培养的优秀毕业生在国内外创新创业领域激浪拍石、各领风骚,不仅有一大批“总师”“杰青”“万人”“青千”“优青”等国家级科技创新人才脱颖而出,在我国三大医疗器械企业(UMY)中,“联影(United Imaging)”和“迈瑞(Mindray)”掌门人均出自该实验室。

国重室瞄准高端制造装备、光电子信息和生物技术等新兴产业输出技术,并通过物数所全资的中科开物公司进行产业化:与英国牛津仪器合资成立了中科牛津波谱技术有限公司,专注于高场核磁共振波谱仪生产;成立的中科创新技术股份公司成为国内超声无损检测仪器的主要生产厂商;芯片原子钟、高精度铷钟、原子重力仪等一批极具市场价值的科技成果正在加速孵化。

刘买利所长介绍说:研究所前几年已成立了经管委,大的决定通过经管委下达执行,保证企业按市场规律运行,保证研究所的国有资产不损失。技术转移出去后,原创团队占70%,在产业的孵化阶段,科研人员视同在研究所工作,让他们没有后顾之忧,一旦技术转移出去成立公司,还可在研究所保留待遇3年。

高端医学影像装备关系国计民生,在我国当前创新驱动发展战略的背景下,生物医学影像学科发展更需注重产业需求。近年来,国重室杰出毕业生薛敏博士创办的上海联影医疗成为民族医疗装备企业的一面旗帜。

在叶朝辉院士的支持下,今年4月1日,周欣研究团队与上海联影公司联手,就“人体肺部气体磁共振成像系统”的工程产业化达成合作意向。同时,为加快推进产业化进程,推动武汉市“中科武大·智谷”建设,武汉物数所联合上海联影医疗、武大中南医院等,共同发起成立“中科联影医学影像联合实验室”“生物医学影像院士工作站”和“中科天眷科创空间”,武昌区人民政府给予上述机构政策及资金支持。今年7月,上海联影与武汉市政府正式签约,将在光谷建设总部基地,其中“中科联影医学影像联合实验室”是五大业务板块之一。

国重室正在源源不断地输出人才与技术,不仅在科技创新上正在实现从“跟跑”迈向“引领”,更助力民族企业从“中国制造”迈向“中国创造”。

《中国科学报》 (2017-09-08 第8版 专题)
 
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