來源：科學(xué)網(wǎng)
發(fā)布時間：2024-10-28
推動科技創(chuàng)新，基礎(chǔ)在平臺?？萍紕?chuàng)新平臺，是培養(yǎng)高水平科研人才、促進(jìn)學(xué)科交叉融合的重要載體，是建設(shè)科技強(qiáng)國、實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和根本保障。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）高度重視科技平臺建設(shè)，并將其視為增強(qiáng)原始創(chuàng)新能力、加深各領(lǐng)域?qū)W科交叉融合、促進(jìn)國際科技合作的重要支撐和載體。近年來，大連化物所緊盯科技強(qiáng)國剛需，充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢，布局搭建了大連相干光源、大連先進(jìn)光源、本草物質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施等大型科學(xué)設(shè)施；建設(shè)了分析測試公共技術(shù)中心，擁有國內(nèi)一流的電鏡設(shè)施與核磁、質(zhì)譜、光譜、色譜等大型儀器設(shè)備；自主研發(fā)了MTO 反應(yīng)裝置、表面化學(xué)動力學(xué)綜合實驗裝置等專用設(shè)備，逐步形成推動重大科技創(chuàng)新的綜合性支撐體系。
聚焦微觀世界，給化學(xué)反應(yīng)中的分子原子拍電影
先進(jìn)自由電子激光在前沿科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，為探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、促進(jìn)技術(shù)變革提供了前所未有的研究工具。2017年1月15日，由大連化物所牽頭研制的我國第一臺自由電子激光大型用戶裝置——“大連相干光源”發(fā)出了世界上最亮的極紫外自由電子激光脈沖，成為當(dāng)今世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光裝置。大連相干光源具有超高的亮度，單個皮秒激光脈沖能產(chǎn)生140萬億個光子，其峰值亮度與第三代同步輻射光源相比，提升了8-10個數(shù)量級。此外，它的單個脈沖寬度在百飛秒或皮秒量級，為科學(xué)家們提供了具有極高時間分辨率的探測條件。這一特性使得大連相干光源如同照亮微觀世界的超快超亮極紫外“閃光燈”，這一“閃光燈”可準(zhǔn)確捕捉到分子、原子等微觀粒子在化學(xué)反應(yīng)中的動態(tài)影像，在能源化學(xué)、表面催化、星際化學(xué)、大氣化學(xué)以及生物醫(yī)藥等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
大連相干光源加速器。大連化物所供圖
2021年11月，大連相干光源完成一項重要升級改造，在原有裝置的基礎(chǔ)上安裝并調(diào)試成功第二條波蕩器線，兩條極紫外波蕩器束線可獨立調(diào)諧和運行，大大提高光源使用效率，同時，新增束線采用了橢圓偏振波蕩器技術(shù)，可產(chǎn)生任意偏振的極紫外激光，豐富了光源的應(yīng)用場景。
大連相干光源完成第二條波蕩器束線安裝調(diào)試并順利出光。大連化物所供圖
依托大連相干光源，大連化物所持續(xù)產(chǎn)出一系列重量級基礎(chǔ)研究成果。江凌研究員和楊學(xué)明院士團(tuán)隊基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實驗方法，在類冰中性水團(tuán)簇七聚體中發(fā)現(xiàn)了多個棱柱狀和籠狀結(jié)構(gòu)，為揭開液態(tài)水至微冰的氫鍵網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)制提供了新思路。王方軍研究員團(tuán)隊與合作者在大連相干光源搭建了高能紫外激光解離-串聯(lián)質(zhì)譜儀器，在蛋白質(zhì)及其復(fù)合物動態(tài)結(jié)構(gòu)和相互作用的質(zhì)譜分析中取得了系列研究進(jìn)展。袁開軍研究員、楊學(xué)明院士實驗團(tuán)隊聯(lián)合傅碧娜研究員、張東輝院士理論團(tuán)隊利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)了二氧化硫分子高激發(fā)態(tài)的漫游反應(yīng)通道，為我們理解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)提供了新的視角，將促使科學(xué)家發(fā)展新的理論模型和計算方法來更精準(zhǔn)地描述和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)。大連相干光源在國際學(xué)術(shù)界也得到了廣泛認(rèn)可，英國皇家學(xué)會院士、英國Bristol大學(xué)Mike Ashfold教授帶領(lǐng)團(tuán)隊來大連相干光源開展星際化學(xué)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)采集，成為首個國際用戶，并對大連相干光源的性能給予了高度評價。德國哥廷根大學(xué)教授兼馬普研究所所長Alec Wodtke在大連相干光源建設(shè)長期實驗站——表面化學(xué)研究實驗站，用于解析原子分子與表面之間的化學(xué)反應(yīng)及傳能機(jī)理，深入研究能源轉(zhuǎn)化過程中的催化機(jī)制?；陔p方建立的良好合作關(guān)系，大連光源代表和德方合作伙伴共同受邀參加2024年10月27號在德國柏林舉行的中國科學(xué)院-德國馬普學(xué)會50周年合作慶典。
利用大連光源發(fā)現(xiàn)首例分子高激發(fā)態(tài)的漫游反應(yīng)通道。大連化物所供圖
在成功建設(shè)大連相干光源后，科研團(tuán)隊進(jìn)一步開展了基于超導(dǎo)加速器技術(shù)、兼具極高亮度和超快特性極紫外自由電子激光的前沿科學(xué)設(shè)施——大連先進(jìn)光源的研制工作。與大連相干光源相比，大連先進(jìn)光源的重復(fù)頻率（即單位時間內(nèi)的激光脈沖數(shù)量）將從幾十赫茲提升至百萬赫茲量級，將有效提高設(shè)施的服務(wù)機(jī)時和高品質(zhì)光子數(shù)量，有望在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性的突破。大連先進(jìn)光源將致力于發(fā)展從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動態(tài)、從微量到痕量的高靈敏度、超快實驗研究方法，推動能源環(huán)境、量子材料、生物分子等前沿科技領(lǐng)域重大科學(xué)問題的研究，助力潔凈能源、先進(jìn)材料、生命健康等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2018年8月，大連市政府與大連化物所簽訂協(xié)議，投資支持大連先進(jìn)光源核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，拉開了預(yù)研項目的帷幕。在在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，2021年9月22日在英歌石科學(xué)城舉行奠基儀式，2024年完成交付。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，完成了大連先進(jìn)光源預(yù)研項目中直流高壓電子槍系統(tǒng)與驅(qū)動激光系統(tǒng)這兩大核心系統(tǒng)的研制，順利實現(xiàn)了連續(xù)波模式下一兆赫茲重復(fù)頻率、100皮庫脈沖電荷量、330千電子伏特能量的預(yù)期目標(biāo)；與中國科學(xué)院高等物理研究所合作，成功研制了我國首臺高品質(zhì)因數(shù)1.3GHz超導(dǎo)加速模組，其關(guān)鍵部件和模組總體性能均達(dá)到或優(yōu)于預(yù)期目標(biāo)；完成了國內(nèi)首臺3.9GHz超導(dǎo)加速器固態(tài)功率源樣機(jī)研制。上述工作進(jìn)展，都為未來大連先進(jìn)光源項目建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，該預(yù)研項目可以產(chǎn)出高品質(zhì)電子束流，有望成為國際先進(jìn)的高重復(fù)頻率超快電子衍射用戶裝置，成為高重復(fù)頻率X射線自由電子激光裝置的補(bǔ)充，為更多的科學(xué)用戶提供支撐。
挖掘傳統(tǒng)寶藏，加速中醫(yī)藥科研范式的變革
中醫(yī)藥是中華民族在與疾病長期斗爭的過程中建立起來的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)寶庫，在醫(yī)藥領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。然而，中藥是一個非常復(fù)雜的物質(zhì)體系，缺乏有效的研究工具和手段，長期面臨著“物質(zhì)基礎(chǔ)不明確，作用機(jī)理不清晰”的根本問題。揭示中藥有效性、安全性的科學(xué)原理，需要一體化集成的科學(xué)研究設(shè)施，從分子水平上系統(tǒng)解析中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)、作用靶點和協(xié)同機(jī)理。
梁鑫淼研究員團(tuán)隊正在打造這樣一套系統(tǒng)研究中藥物質(zhì)組成與功能的利器——本草物質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施。該設(shè)施由多維多通道分離純化裝置、人源性靶效物質(zhì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和多靶點協(xié)同機(jī)理分析系統(tǒng)等三大核心系統(tǒng)組成，希望通過提供先進(jìn)的科學(xué)研究手段，探索中藥未知世界，實現(xiàn)原始性創(chuàng)新性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在中國科學(xué)院和江西省的支持下，大連化物所圓滿完成了本草物質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施的預(yù)研工作，構(gòu)建了世界上第一套多維多通道分離純化預(yù)研裝置，該裝置坐落于江西省贛江新區(qū)。
多維多通道分離純化系統(tǒng)預(yù)研裝置。大連化物所供圖
多維多通道分離純化預(yù)研裝置是一套五維平行制備色譜，包括一維聚類分離、二維極性分離、三維正交分離、四維特異性分離和五維異構(gòu)體分離五個分離單元，每個單元均為多個通道平行運行。該預(yù)研裝置能夠?qū)崿F(xiàn)中藥中數(shù)百上千個化合物的逐一分離純化，并結(jié)合預(yù)研裝置的組成結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)進(jìn)行高通量的結(jié)構(gòu)表征，從而深度剖析中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)。該預(yù)研裝置大幅提升了中藥物質(zhì)基礎(chǔ)研究的效率。傳統(tǒng)技術(shù)需要3年時間才能從一味藥材中分離出100余個化合物，該預(yù)研裝置僅用2個月就能獲取200余個化合物。例如，研究團(tuán)隊利用預(yù)研裝置從北豆根中快速分離出208個單體，鑒定出152個化合物，其中97個為新發(fā)現(xiàn)的化合物。而在過去近百年間，科學(xué)家僅從北豆根中分離了90個化合物。
明確了中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)后，人源性靶效物質(zhì)發(fā)現(xiàn)預(yù)研系統(tǒng)針對化合物開展虛擬篩選、動力學(xué)模擬和靶點篩選，發(fā)現(xiàn)靶效物質(zhì)及作用靶點。復(fù)雜性疾病通常是由多個遺傳和環(huán)境因素共同作用導(dǎo)致的，并非僅由單一靶點決定。利用人源性靶效物質(zhì)發(fā)現(xiàn)預(yù)研系統(tǒng)，可以從分子水平上闡明中藥治療復(fù)雜疾病的多分子多靶點的協(xié)同機(jī)理。以經(jīng)典名方四神丸為例，研究團(tuán)隊通過多維多通道分離純化預(yù)研裝置制備了222個化合物，利用虛擬篩選預(yù)測了9個潛在靶點，利用多靶點篩選技術(shù)開展了活性篩選，首次發(fā)現(xiàn)了保護(hù)腸道屏障的蛋白酶激活受體PAR2拮抗劑F2275和F2389、抑制炎癥的GPR84拮抗劑F2451和GPR120激動劑F2383及抑制免疫細(xì)胞遷移的磷酸鞘氨醇受體S1P1R激動劑F2266，從分子水平回答了四神丸臨床有效性的科學(xué)原理。
本草物質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施預(yù)研裝置的建設(shè)深刻貫徹了“說明白、講清楚中醫(yī)藥的療效”這一核心理念，精準(zhǔn)詮釋中藥的獨特療效和作用機(jī)制。面向未來，梁鑫淼團(tuán)隊將在已有預(yù)研裝置的基礎(chǔ)上，組建整建制的科研隊伍，加強(qiáng)頂層設(shè)計，力爭建成世界上第一個系統(tǒng)研究中藥的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)與功能的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為中藥科學(xué)原理解析、中藥新藥發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)、藥物新靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)、海洋藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域的用戶提供開放共享的科學(xué)研究平臺。
促進(jìn)資源共享，提供高質(zhì)量科技創(chuàng)新基礎(chǔ)能力資源
重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器是突破科學(xué)前沿，解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和重大科技問題的技術(shù)基礎(chǔ)和重要手段。有效、全面的開放共享是科研基礎(chǔ)設(shè)施與儀器戰(zhàn)略作用實現(xiàn)的內(nèi)在要求和必然選擇。大連化物所持續(xù)強(qiáng)化科技支撐平臺建設(shè)，從制度建設(shè)、體系化、信息化建設(shè)等方面全方位提升科研設(shè)施與儀器支撐服務(wù)質(zhì)量，深度推進(jìn)大型儀器設(shè)備開放共享、提升科技資源利用效率。
大連化物所逐年投入經(jīng)費，建設(shè)了國內(nèi)一流的所級公共技術(shù)中心——能源研究技術(shù)平臺，為全所各研究單元及社會提供分析測試服務(wù)和技術(shù)支撐，同時兼顧新技術(shù)和新方法的研發(fā)，以及高水平技術(shù)支撐人才的引進(jìn)和培養(yǎng)。平臺現(xiàn)有各類大型儀器設(shè)備近百臺，可滿足能源、催化、材料、生物醫(yī)藥等多領(lǐng)域測試需求。平臺電鏡中心，擁有國際最先進(jìn)的環(huán)境透射電鏡、環(huán)境掃描電鏡，以及原子分辨球差校正電鏡等高端電鏡設(shè)備，具備從微納到皮米的多尺度顯微分析能力，可實現(xiàn)超高分辨條件下能源材料工況過程的原位電鏡研究；平臺理化分析中心，擁有800MHz、700MHz、400MHz等型號核磁共振譜儀和理化分析儀器，可提供結(jié)構(gòu)、成分、物相等材料生命周期一站式分析及表征新方法的開發(fā)；平臺光譜中心擁有不同時間、空間分辨率多種型號光譜儀器，可動態(tài)研究材料的物理化學(xué)變化過程及作用機(jī)制；平臺高分辨質(zhì)譜中心可開展石油、環(huán)境、生物等領(lǐng)域復(fù)雜樣本的深度質(zhì)譜解析、材料表面分析及深度剖析。平臺已通過自主開發(fā)的科研儀器管理系統(tǒng)，實現(xiàn)不同跨所區(qū)大型儀器智能化、信息化管理，儀器7*24小時開放共享，進(jìn)一步提升了大型儀器的使用能效，未來將實現(xiàn)表征儀器的自動化、智能化，打造數(shù)字化表征前沿實驗室。
公共技術(shù)中心高水平支撐了研究所發(fā)表Science、Nature正刊及子刊等多項學(xué)術(shù)研究成果，有力支撐多項重大工業(yè)應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化；并與眾多大型企業(yè)開展了廣泛的學(xué)術(shù)交流與合作；孵化出能源催化材料表征技術(shù)培訓(xùn)課程特色品牌IP，平均每年舉辦各類專業(yè)技術(shù)論壇、培訓(xùn)講座等60余次，參訓(xùn)人員超2000人次。
科技創(chuàng)新平臺為原始創(chuàng)新提供了強(qiáng)大的平臺支撐，在科學(xué)研究中發(fā)揮著策源集聚的重要作用。作為國家戰(zhàn)略科技力量，大連化物所將持續(xù)謀劃、系統(tǒng)布局高水平科技創(chuàng)新平臺建設(shè)，不斷夯實科技創(chuàng)新的平臺基礎(chǔ)，開展體系化、建制化基礎(chǔ)研究和原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，為搶占科技制高點、實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)更大力量。
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