【科学网】科研利器，策源集聚：以科技创新平台提升原始创新能力
学术
2024-10-28 17:05
辽宁
推动科技创新，基础在平台。科技创新平台，是培养高水平科研人才、促进学科交叉融合的重要载体，是建设科技强国、实现高水平科技自立自强的物质基础和根本保障。中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）高度重视科技平台建设，并将其视为增强原始创新能力、加深各领域学科交叉融合、促进国际科技合作的重要支撑和载体。近年来，大连化物所紧盯科技强国刚需，充分发挥学科优势，布局搭建了大连相干光源、大连先进光源、本草物质科学研究设施等大型科学设施；建设了分析测试公共技术中心，拥有国内一流的电镜设施与核磁、质谱、光谱、色谱等大型仪器设备；自主研发了MTO 反应装置、表面化学动力学综合实验装置等专用设备，逐步形成推动重大科技创新的综合性支撑体系。先进自由电子激光在前沿科学研究中发挥着越来越重要的作用，为探索未知物质世界、发现新科学规律、促进技术变革提供了前所未有的研究工具。2017年1月15日，由大连化物所牵头研制的我国第一台自由电子激光大型用户装置——“大连相干光源”发出了世界上最亮的极紫外自由电子激光脉冲，成为当今世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置。大连相干光源具有超高的亮度，单个皮秒激光脉冲能产生140万亿个光子，其峰值亮度与第三代同步辐射光源相比，提升了8-10个数量级。此外，它的单个脉冲宽度在百飞秒或皮秒量级，为科学家们提供了具有极高时间分辨率的探测条件。这一特性使得大连相干光源如同照亮微观世界的超快超亮极紫外“闪光灯”，这一“闪光灯”可准确捕捉到分子、原子等微观粒子在化学反应中的动态影像，在能源化学、表面催化、星际化学、大气化学以及生物医药等研究领域有着广泛的应用。![]()
2021年11月，大连相干光源完成一项重要升级改造，在原有装置的基础上安装并调试成功第二条波荡器线，两条极紫外波荡器束线可独立调谐和运行，大大提高光源使用效率，同时，新增束线采用了椭圆偏振波荡器技术，可产生任意偏振的极紫外激光，丰富了光源的应用场景。![]()
大连相干光源完成第二条波荡器束线安装调试并顺利出光依托大连相干光源，大连化物所持续产出一系列重量级基础研究成果。江凌研究员和杨学明院士团队基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新思路。王方军研究员团队与合作者在大连相干光源搭建了高能紫外激光解离-串联质谱仪器，在蛋白质及其复合物动态结构和相互作用的质谱分析中取得了系列研究进展。袁开军研究员、杨学明院士实验团队联合傅碧娜研究员、张东辉院士理论团队利用大连相干光源发现了二氧化硫分子高激发态的漫游反应通道，为我们理解和预测化学反应提供了新的视角，将促使科学家发展新的理论模型和计算方法来更精准地描述和预测化学反应。大连相干光源在国际学术界也得到了广泛认可，英国皇家学会院士、英国Bristol大学Mike Ashfold教授带领团队来大连相干光源开展星际化学相关实验数据采集，成为首个国际用户，并对大连相干光源的性能给予了高度评价。德国哥廷根大学教授兼马普研究所所长Alec Wodtke在大连相干光源建设长期实验站——表面化学研究实验站，用于解析原子分子与表面之间的化学反应及传能机理，深入研究能源转化过程中的催化机制。基于双方建立的良好合作关系，大连光源代表和德方合作伙伴共同受邀参加2024年10月27号在德国柏林举行的中国科学院-德国马普学会50周年合作庆典。![]()
在成功建设大连相干光源后，科研团队进一步开展了基于超导加速器技术、兼具极高亮度和超快特性极紫外自由电子激光的前沿科学设施——大连先进光源的研制工作。与大连相干光源相比，大连先进光源的重复频率（即单位时间内的激光脉冲数量）将从几十赫兹提升至百万赫兹量级，将有效提高设施的服务机时和高品质光子数量，有望在多个领域实现变革性的突破。大连先进光源将致力于发展从宏观到微观、从静态到动态、从微量到痕量的高灵敏度、超快实验研究方法，推动能源环境、量子材料、生物分子等前沿科技领域重大科学问题的研究，助力洁净能源、先进材料、生命健康等战略性新兴产业和未来产业的发展。2018年8月，大连市政府与大连化物所签订协议，投资支持大连先进光源核心关键技术研发，拉开了预研项目的帷幕。在在基础设施建设方面，2021年9月22日在英歌石科学城举行奠基仪式，2024年完成交付。在关键技术研发方面，完成了大连先进光源预研项目中直流高压电子枪系统与驱动激光系统这两大核心系统的研制，顺利实现了连续波模式下一兆赫兹重复频率、100皮库脉冲电荷量、330千电子伏特能量的预期目标；与中国科学院高等物理研究所合作，成功研制了我国首台高品质因数1.3GHz超导加速模组，其关键部件和模组总体性能均达到或优于预期目标；完成了国内首台3.9GHz超导加速器固态功率源样机研制。上述工作进展，都为未来大连先进光源项目建设奠定了坚实的基础。此外，该预研项目可以产出高品质电子束流，有望成为国际先进的高重复频率超快电子衍射用户装置，成为高重复频率X射线自由电子激光装置的补充，为更多的科学用户提供支撑。中医药是中华民族在与疾病长期斗争的过程中建立起来的传统医学宝库，在医药领域做出了重大贡献。然而，中药是一个非常复杂的物质体系，缺乏有效的研究工具和手段，长期面临着“物质基础不明确，作用机理不清晰”的根本问题。揭示中药有效性、安全性的科学原理，需要一体化集成的科学研究设施，从分子水平上系统解析中药的物质基础、作用靶点和协同机理。梁鑫淼研究员团队正在打造这样一套系统研究中药物质组成与功能的利器——本草物质科学研究设施。该设施由多维多通道分离纯化装置、人源性靶效物质发现系统和多靶点协同机理分析系统等三大核心系统组成，希望通过提供先进的科学研究手段，探索中药未知世界，实现原始性创新性的科学发现。在中国科学院和江西省的支持下，大连化物所圆满完成了本草物质科学研究设施的预研工作，构建了世界上第一套多维多通道分离纯化预研装置，该装置坐落于江西省赣江新区。![]()
多维多通道分离纯化预研装置是一套五维平行制备色谱，包括一维聚类分离、二维极性分离、三维正交分离、四维特异性分离和五维异构体分离五个分离单元，每个单元均为多个通道平行运行。该预研装置能够实现中药中数百上千个化合物的逐一分离纯化，并结合预研装置的组成结构分析子系统进行高通量的结构表征，从而深度剖析中药的物质基础。该预研装置大幅提升了中药物质基础研究的效率。传统技术需要3年时间才能从一味药材中分离出100余个化合物，该预研装置仅用2个月就能获取200余个化合物。例如，研究团队利用预研装置从北豆根中快速分离出208个单体，鉴定出152个化合物，其中97个为新发现的化合物。而在过去近百年间，科学家仅从北豆根中分离了90个化合物。明确了中药的物质基础后，人源性靶效物质发现预研系统针对化合物开展虚拟筛选、动力学模拟和靶点筛选，发现靶效物质及作用靶点。复杂性疾病通常是由多个遗传和环境因素共同作用导致的，并非仅由单一靶点决定。利用人源性靶效物质发现预研系统，可以从分子水平上阐明中药治疗复杂疾病的多分子多靶点的协同机理。以经典名方四神丸为例，研究团队通过多维多通道分离纯化预研装置制备了222个化合物，利用虚拟筛选预测了9个潜在靶点，利用多靶点筛选技术开展了活性筛选，首次发现了保护肠道屏障的蛋白酶激活受体PAR2拮抗剂F2275和F2389、抑制炎症的GPR84拮抗剂F2451和GPR120激动剂F2383及抑制免疫细胞迁移的磷酸鞘氨醇受体S1P1R激动剂F2266，从分子水平回答了四神丸临床有效性的科学原理。本草物质科学研究设施预研装置的建设深刻贯彻了“说明白、讲清楚中医药的疗效”这一核心理念，精准诠释中药的独特疗效和作用机制。面向未来，梁鑫淼团队将在已有预研装置的基础上，组建整建制的科研队伍，加强顶层设计，力争建成世界上第一个系统研究中药的物质组成结构与功能的重大科技基础设施，为中药科学原理解析、中药新药发现、创新药物发现、药物新靶标发现、海洋药物发现等领域的用户提供开放共享的科学研究平台。重大科研基础设施和大型科研仪器是突破科学前沿，解决经济社会发展和重大科技问题的技术基础和重要手段。有效、全面的开放共享是科研基础设施与仪器战略作用实现的内在要求和必然选择。大连化物所持续强化科技支撑平台建设，从制度建设、体系化、信息化建设等方面全方位提升科研设施与仪器支撑服务质量，深度推进大型仪器设备开放共享、提升科技资源利用效率。大连化物所逐年投入经费，建设了国内一流的所级公共技术中心——能源研究技术平台，为全所各研究单元及社会提供分析测试服务和技术支撑，同时兼顾新技术和新方法的研发，以及高水平技术支撑人才的引进和培养。平台现有各类大型仪器设备近百台，可满足能源、催化、材料、生物医药等多领域测试需求。平台电镜中心，拥有国际最先进的环境透射电镜、环境扫描电镜，以及原子分辨球差校正电镜等高端电镜设备，具备从微纳到皮米的多尺度显微分析能力，可实现超高分辨条件下能源材料工况过程的原位电镜研究；平台理化分析中心，拥有800MHz、700MHz、400MHz等型号核磁共振谱仪和理化分析仪器，可提供结构、成分、物相等材料生命周期一站式分析及表征新方法的开发；平台光谱中心拥有不同时间、空间分辨率多种型号光谱仪器，可动态研究材料的物理化学变化过程及作用机制；平台高分辨质谱中心可开展石油、环境、生物等领域复杂样本的深度质谱解析、材料表面分析及深度剖析。平台已通过自主开发的科研仪器管理系统，实现不同跨所区大型仪器智能化、信息化管理，仪器7*24小时开放共享，进一步提升了大型仪器的使用能效，未来将实现表征仪器的自动化、智能化，打造数字化表征前沿实验室。公共技术中心高水平支撑了研究所发表Science、Nature正刊及子刊等多项学术研究成果，有力支撑多项重大工业应用成果转化；并与众多大型企业开展了广泛的学术交流与合作；孵化出能源催化材料表征技术培训课程特色品牌IP，平均每年举办各类专业技术论坛、培训讲座等60余次，参训人员超2000人次。科技创新平台为原始创新提供了强大的平台支撑，在科学研究中发挥着策源集聚的重要作用。作为国家战略科技力量，大连化物所将持续谋划、系统布局高水平科技创新平台建设，不断夯实科技创新的平台基础，开展体系化、建制化基础研究和原创性、引领性科技攻关，为抢占科技制高点、实现高水平科技自立自强贡献更大力量。
