新中國成立60年以來,我國科研條件建設成效顯著,科學儀器設備、實驗動物、科研用試劑、計量基準等科研條件資源自主研發取得重要進展,逐步改善了我國創新能力建設基本依賴進口的不利局面。
《中共中央關於科學技術體制改革的決定》實施以後,制定了一系列專項規劃,如《科研條件發展「九五」計劃和2010年遠景目標綱要》、《「九五」期間科學儀器發展的若干意見》、《科研條件建設「十五」發展綱要》、《「十一五」科學儀器設備發展規劃》、《「十一五」科技文獻發展規劃》、《「十一五」實驗動物發展規劃》、《「十一五」科研用試劑發展規劃》等,作為科技發展規劃的重要組成部分。
以胡錦濤同志為總書記的黨中央確立自主創新戰略、提出建設創新型國家宏偉目標後,我國更加重視科研條件建設。《規劃綱要》將加強科技基礎條件平臺建設作為其重要組成部分,要求加強科學儀器設備、實驗基地、科學數據及文獻、自然科技資源、計量及標準等科技平臺建設,加強科學儀器設備及檢測技術研究開發。2004年,國務院辦公廳轉發了《關於改進和加強中央財政科技經費管理若干意見》,將「科研條件建設」列為新時期科技投入的重要方向之一。2008年7月1日正式實施的《科學技術進步法》中,也以國家法律的形式對科研條件建設、開放共享以及自主研發等環節加以明確,還明確要求了科研條件建設是國家財政投入的重要方向之一。
自主研發科學儀器設備
在上述國家發展規劃的指引下,科技部大力支持儀器設備事業發展,自「九五」以來,連續發布了3個五年規劃,對科學儀器設備的自主研發提出了明確部署,同時連續在「九五」、「十五」和「十一五」期間將科學儀器設備研製與開發納入國家科技支撐計劃(原國家科技攻關計劃)予以重點支持,目標是研發一批科學研究和國民經濟發展急需的、保障人民生活質量和健康急需的、應對突發事件和公共安全急需的、具有自主智慧財產權的、國際先進水平的和顯著創新的高性能分析儀器設備,解決我國分析測試儀器「空心化」問題,增強分析測試儀器的穩定性和可靠性,有效帶動和引領科學儀器行業發展;在充分消化吸收現有重大儀器設備關鍵技術的基礎上,開發具有自主智慧財產權的關鍵技術和儀器產品;以產業化為目標,加強科學儀器成果的工程化和工藝研究,結合科學研究等領域需求,開展儀器應用方法研究,實踐科學儀器成果的轉化,提高我國科學儀器的市場佔有率,降低對進口大型精密儀器的依存度。
經過長期的艱苦努力,目前我國科學儀器事業已取得突出成就,總體水平得到了較快發展和提升。主要表現在:
——研製開發了一批重大科學儀器設備,初步實現了「九五」起好步、「十五」打基礎、「十一五」大發展的戰略構想。在國際上首創了超高能量解析度真空紫外雷射角分辨光電子能譜儀、原子螢光儀和金屬原位分析儀等新型科學儀器,成功研製微波等離子(MPI)光譜儀、熱彈性紅外圖像安全檢測系統、液相色譜-質譜聯用儀、紅外和雷射拉曼光譜分析儀、核磁共振測井儀、液相色譜儀、X射線衍射儀等大型科學儀器,為環境保護、食品安全、公共安全、進出口貿易、醫療衛生等經濟和社會發展的重要領域提供了有力的基礎支撐。
——攻克了一批能有效帶動和引領科學儀器行業發展的關鍵核心技術和核心部件,為實現我國科學儀器跨越式發展奠定了基礎。通過國家科技計劃(專項)「科學儀器設備研製與開發」項目的實施,攻克了一大批核心技術、工藝技術,如大角度高分辨的角度連續調節和同步、高精度分布測控、高溫高壓下核磁測井技術、液相色譜高靈敏度檢測技術、微波等離子體源技術、光譜全譜技術、X射線小角散射技術、高頻感應加熱高溫搖動技術以及功率連續可調微波消解技術等近關鍵技術和共性技術,搭建了大型質譜儀、車載離子阱、蛋白質分離鑑定等研究開發技術平臺。如2007年攻克了集束式冷光源/單色器、比色池、檢測器三位一體的比色計關鍵技術,成功研製開發了具有自主智慧財產權的多參數食品安全快速檢測儀,已建立起4條組裝調試生產線,1條檢驗生產線和1條試劑盒生產線。應用納米材料研製的新型傳感器,採用計時電流法實現飲用水中總菌數快速計數測定;新型納米金屬傳感器實現飲用水中大腸桿菌數快速測定,達到國際領先水平。
——科學儀器產業化取得進展,培育了具有自主創新能力骨幹企業,形成超億元的產業基地,降低了對進口科學儀器的依存度。在國家政策引導和長期支持下,逐步形成了一批以國有企業、民營企業、轉制的企業型科研院所和擁有自主核心技術的小型科技型企業為主體的科學儀器骨幹企業,一些量大面廣的常規科學儀器市場佔有率已提升為40%以上。
——升級改造了一大批老化的、功能喪失的大型科學儀器設備,實現消化吸收再創新,並形成具有自主智慧財產權的相關技術和產品,充分挖掘和盤活了現有大量科學儀器設備潛能。
——完善了當前科學儀器設備所急需的樣品前處理裝置以及軟體模型等輔助設備的開發,初步實現了我國科學儀器的完整應用體系。
通過自主研發,我國科學儀器總體水平得到了較快提高,在科學研究、國民經濟發展、重大災害事故等領域提供了有力的保障。我國科學家以火花單次放電理論為基礎成功開發「無預燃連續激發同步掃描定位技術」和「單次放電信號分辨提取技術」,研製成功具有自主智慧財產權的世界首臺金屬原位分析儀,解決了材料中較大尺度範圍內不同成分及狀態的分布定量方法的技術難題,為材料科學研究提供了新視角。該成果獲國外專利3項,國家發明專利2項,被評為2008年國家技術發明二等獎。
在四川汶川特大地震抗震救災和恢復重建中,水質安全、食品安全、土壤安全、空氣安全、疾病防疫等諸多方面對監測檢測儀器有迫切需求,科技部迅速組織提出《可用於抗震救災的國產儀器設備清單》,根據災區提出的儀器設備需求分析可以看出,90%以上的儀器設備都可由我國科學儀器設備支撐。同時,科技部積極組織儀器廠商積極支援災區2000餘臺/套,相關配套試劑60萬餘套,這些儀器設備成了科技救災的主力之一,受到了災區政府和群眾的高度評價。
實驗動物科技
實驗動物是生命科學研究和生物醫藥技術發展的不可或缺的基礎性支撐,推動實驗動物技術自主研發和規範管理對有效支撐科學研究和生物醫藥技術發展意義重大。
我國實驗動物科學起步較晚,在1978年第一次全國科技大會以後才真正發展起來。1982年,國家科委在雲南召開了第一屆全國實驗動物工作會議,首次將發展實驗動物科學納入國家計劃。1988年,國家科委頒布了我國首部《實驗動物管理條例》,標誌著我國實驗動物管理工作開始納入法制化軌道。自1997年開始,科技部相繼發布了《實驗動物質量管理辦法》、《實驗動物許可證管理辦法(試行)》等7項配套規章,實行了全國統一的實驗動物許可證管理制度,使我國實驗動物法制化管理體系走向完善。經過「九五」、「十五」期間的發展,尤其是藉助國家科技基礎條件平臺建設工作的推動,我國實驗動物工作基本實現了既定的發展目標和任務。在組織機構、政策法規和質量保障體系建設等方面取得了令人矚目的成績。
在《規劃綱要》中列出的農業、人口與健康、生物技術、科學前沿問題、面向國家重大戰略需求的基礎研究和重大科學研究計劃6大項工作方面,實驗動物均是重要的支撐條件之一。實驗動物科學將在已有的基礎上,以需求為導向,充分運用高新技術手段,以資源開發和整合共享為重點,加大法制化管理力度,提高自主創新能力,積極參與推動區域性生物產業高新開發基地和工程鏈的建設,為國家和地方的經濟發展服務,擴大國際交流和合作,為科學研究和產業發展提供強有力的支撐。
自1988年開始,國家先後頒布了《實驗動物管理條例》、《實驗動物質量管理辦法》、《實驗動物種子中心管理辦法》、《實驗動物許可證管理辦法(試行)》、《善待實驗動物的指導性意見》等法規和部門規章。與此同時,各地方和有關部門也相應制定了本地區、本部門實驗動物管理的規章制度,形成了行政法規、地方法規、部門規章、地方規章和國家技術標準等協調統一、全面管理的新局面。
實驗動物質量保障體系建設的核心是監控和保證實驗動物和動物實驗的質量,為科學研究提供高質量、高標準的實驗動物和支撐服務。圍繞這一核心,自1998年開始,國家陸續建成了國家嚙齒類實驗動物種子中心和國家遺傳工程小鼠資源庫等5個種質資源基地,啟動了國家實驗用小型豬種質資源基地和國家實驗靈長類種質資源中心等項目,擁有的資源品種、品系達到400多個,在國際上已經佔有一席之地。建立起了由國家和地方兩級檢測機構共同構成的全國實驗動物質量檢測體系,以實驗動物國家標準為依據,為實驗動物的標準化研究和許可證管理制度的實施提供了技術保障。在京、滬等發達地區,實驗大小鼠、豚鼠、地鼠、兔和犬等已初步實現了生產規模化、供應社會化,已有11家單位的實驗動物設施通過了國際權威機構的認證,中國實驗動物信息網已成為我國實驗動物行業重要的門戶網站和信息平臺。
近年來,實驗動物科學的發展越來越受到國家的重視,在多個國家科技計劃中都列入了實驗動物工作,國家科研項目的設計和完成,不再滿足於項目結題、論文發表,而是著眼於建設高新技術研發基地,為學科發展和經濟建設提供可持續發展的、資源技術開放共享的平臺。由於國家持續不斷的資金和政策支持,極大地促進了實驗動物科學本身的發展,有力地推動了我國實驗動物種質資源的保存與共享,保證了實驗動物資源的有效利用,從而使實驗動物科學對生命科學領域的科技進步和創新的支撐作用得以充分發揮。實驗動物科學不僅為科技創新提供了良好的實驗觀測平臺,使各種科學設想和研究方案得以實施、驗證,還為科技創新提供了各種實驗材料和手段,如各種標準化的實驗動物、各種動物模型、遺傳修飾的工具鼠等。
具有我國自主智慧財產權的實驗用小型豬的保存和開發利用工作取得了重要的成果。經國家、地方和部門的連續合力支持,我國培育的小型豬已成為重要的疾病模型動物,高度近交的品系更是異種器官移植的最佳實驗材料。尤其是「十五」科技攻關項目支持建立的國家實驗用小型豬種質資源基地,目前已開始向社會提供合格的種用和實驗用小型豬,主要用於糖尿病、心血管疾病、口腔疾病、皮膚燒傷和器官移植等相關研究。該項目中的上海小型豬生物技術平臺,以小型豬為材料培訓了來自英、法、美、日等20多個國家和中國累計1000餘人次的各類手術操作培訓和科研合作,成功進行了心、肝、腎、腸、肺等異體移植手術。2005年我國四川省暴發豬鏈球菌感染,導致390餘人住院、38人死亡的疫情,通過上海小型豬生物技術平臺培育的SPF小型豬動物回歸實驗,為確診這次疫情做出了關鍵性的貢獻。主要成果豬鏈球菌病研究及防控技術在2007年獲國家科技進步二等獎。
「十五」期間,科技部組織力量依託南京大學建立了「國家遺傳工程小鼠資源庫」。該資源庫已建立了完善的基因組改造技術平臺,凝聚了一批較高研究水平的技術隊伍,建立了遺傳工程小鼠品系共420餘種,其中自主研發並已建系的小鼠動物模型229種,這些小鼠品系中包括糖尿病、肥胖症、白內障、肢體殘廢、發育缺陷、心血管系統障礙等多種人類疾病的動物模型,目前已向全國22個省、市、自治區以及國外一些大學和研究所的近百家單位提供遺傳工程小鼠模型3萬多隻,供種120個品系。該資源庫已成為我國遺傳工程小鼠的收集、生產、供應、信息服務和專業人才的培養基地。由於近年來在小鼠功能基因研究方面的突出成績,目前,我國受到國際小鼠基因剔除聯盟(IKMC)的高度重視。中國科學家在該領域的研究工作、資源利用、利益分享等重大事務上,已經在國際上取得了重要發言權。
「十一五」科技支撐計劃中設立了人類重大疾病小鼠模型的建立與應用等項目。2007年我國在人類重大疾病小鼠模型領域,建立了18種組織特異性Cre重組酶轉基因小鼠,獲得8個條件性基因敲除小鼠模型,建立了常規表型分析標準化技術;按照SHIPPA標準操作程序(SOPs),對63種小鼠進行了血常規、血生化、器官重量等常規表型檢查;開展了9個品系小鼠的糖尿病疾病模型和相關指標的研究,並建立12種代謝相關指標的SOPs;收集和整理了小鼠心血管發生發育疾病模型的表型分析技術方案40餘種;獲得了對位準確、圖像清晰的小鼠連續斷面圖像數據集,搭建了結構較完整的小鼠可視化圖像資料資料庫,並建立了小鼠解剖概念表達標準和實現解剖結構的知識表示。
此外,還開展了疾病模型相關的基因改造小鼠品系的收集和整合工作。收集或引進了656個小鼠及ES品系;分別在國家遺傳工程小鼠資源庫和國家嚙齒類實驗動物種子中心上海分中心建立小鼠模型的冷凍胚胎庫、冷凍精子/卵子庫和冷凍卵巢庫;目前已冷凍保存了2~8細胞胚胎共計83 041枚,冷凍了巢子14對,精子5086根麥管;首次在國內建立基於C57BL/6J遺傳背景ES細胞的基因敲除;首次建立長度超過100 kb的轉基因DNA片斷的轉基因小鼠品系。
自主研發科研用試劑
我國在20世紀80年代之前,科研用試劑採用計劃供應和管理的方式。當時國家科委為解決科研單位對試劑的大量需求問題,開始了技術上和人才隊伍上的儲備,並在科技攻關項目中安排了用途最廣泛的酸、鹼、鹽等幾大類試劑的攻關任務。此後國產主要通用試劑已可以基本滿足科研的需要,但在一些專業領域,特別是前沿領域和重要的高技術產業發展領域所需的專用試劑進行配套較為困難,甚至出現了依賴進口試劑的情況。
進入21世紀以後,大批國際科研試劑廠商進入我國市場,凸現出我國科研用試劑與國外先進國家試劑的基礎差距。科技部在「十五」期間積極地進行了戰略上的有效調整,組織相關單位對國內科研用試劑現代狀況的調查和初步的摸底工作,編撰了我國現有化學試劑的產品目錄,基本摸清了我國研發科研用試劑的科技實力和技術儲備的情況;同時在一些比較尖端的生物試劑品種上,安排了軍事醫學科學院和醫科院藥物所進行有關科研用試劑的聯合技術攻關,進行技術上的儲備;在專業試劑方面,啟動了電子工業的專業試劑研發項目。
「十一五」期間,在大量前期工作的基礎上,科技部全面啟動了科研用試劑的研發課題,在科技支撐計劃、自然科學基金和863計劃中均分別展開了全面的試劑研發工作。根據現代科學研究對試劑的需求,在基礎試劑品種方面、專業用試劑方面、與重大公共突發事件相關以及試劑創新研發方面,取得了長足發展。
目前我國已能自行生產6種甲醇、乙腈、正己烷等主要有機溶劑,以及多種同位素標記試劑、同位素稀釋試劑、部分樣品處理材料和固相萃取材料,能夠製備幾十種高純金屬、高純非金屬、高純半金屬、高純氣體的單質物質,在近300種抗體、100多種細胞因子和幾百種不同來源的生物酶、不同用途的生物培養液和細胞培養液等方面實現了國產化。在專業用試劑和應對重大公共突發事件的試劑方面,絕大多數擁有我國自主智慧財產權,數十種的臨床診斷專用試劑、電子工業專用試劑等得到基本解決,針對甲型流感、非典、H5N1型禽流感檢測試劑盒,以及狂犬病抗體定量檢測試劑盒、刺五加注射液過敏性物質的檢測試劑盒、丹參中藥注射液過敏性物質的檢測試劑盒、牛奶中β-內醯胺酶類活性物質的牛奶抗生素檢測試劑盒等已經陸續進入市場,為人民生活和衛生、食品安全提供服務。數十種手性化合物、中間體、黏多糖等也將對今後我國的新藥開發和相關的科學研究發揮巨大的作用。
在「十一五」科技支撐計劃中,國家啟動了「科研用試劑核心單元物質及共性關鍵技術研製與開發」等項目,對科研用試劑的基礎品種提出了更高要求,如常用的有機溶劑更加強調了其純度和雜質的含量,生化試劑強調了酶、細胞因子和抗體的純度和功能,而無機材料也更加注重其純度可否達到更高的水平。針對專用試劑,強調了它的功能用途的特殊性、檢測的穩定性和可重複性。在創新性上,更強調了發現新試劑創造新方法,在科學研究中得到新成果。同時制定了多項試劑的國家標準,修訂了部分試劑的國家標準,出臺了50多個品種的新的企業標準。
提升國家計量基標準技術
國家計量基標準體系體現了國家的計量科技水平,它按照從最高精度的國家基標準向下逐級傳遞的方式,實現國內測量值的統一、準確、可靠。我國的計量標準體系經過改革開放30年的發展,取得了顯著的成效。
從改革開放初期到80年代末,我國先後建立了國際單位制基本單位的國家基準6項、導出單位計量基準115項、計量標準155項,基本覆蓋長度、溫度、力學、電磁、無線電、時間頻率、光學、聲學、電離輻射、化學等十大計量領域,現代計量基標準體系基本形成。部分項目成果達到國際先進水平,如實現國際米定義的碘穩頻氦氖雷射器、實現國際溫標的中、高溫固定點和計算電容等;部分項目對工業生產具有很高的應用價值,如雷射絕對重力儀、磁參數測量儀、石油螺紋標準等;部分項目為國家重大項目提供技術支持,如對火箭發動機進行性能測試、為核電站、水利工程進行力學試驗等;部分項目對科學技術的發展起到推動作用,如通過穩頻雷射的研究促進雷射光譜學的發展,高溫超導材料參數的測量促進材料學的發展等。
1990—1997年期間,我國科技人員完成了20MN標準測力機的研製、高臨界溫度射頻超導量子幹涉儀、非鐵磁金屬電導率基準、高精度雷射功率能量基準、超導約瑟夫森結陣-伏電壓基準、633納米氦氖雷射空氣波長及納米位移的精確測量、計算電容絕對測量電阻、電容、電感、高精度雷射功率能量基準、國家電能計量基準等項目在國際上處於先進水平。這些基標準的建立,不僅有力地支持了國家的經濟建設,而且在國際計量界也取得了一定的發言權。
「十五」期間,在國家科技基礎性專項、社會公益性專項、重要技術標準專項和科技基礎平臺計劃等支持下,計量基標準取得一系列重大突破。如「以量子物理為基礎的現代計量基準研究」是發達國家目前正在鑽研的一項計量科技前沿難題,「十五」期間國家立項實施了以銫冷原子噴泉時間頻率基準、直流及交流量子化霍爾電阻基準為代表的7項計量前沿研究項目,體現了我國針對國際單位制重大改革所開展的計量科學研究的基礎性、前瞻性和先進性,以便在國際單位制基本單位定義發生重大變化時,我國能夠在國際計量體系中佔據有利主導地位。其中,中國計量科學研究院開展的雷射冷卻銫原子噴泉時間頻率基準裝置研究取得了顯著的成果,其不確定度達到5×10-15,相當於600萬年內誤差不超過1秒;另一項直流量子化霍爾電阻基準研究也取得了重大創新性成果,通過原理的改進和關鍵技術的提高,在技術指標上大幅度領先於國際先進國家,優於國外最好水平10倍以上。這兩項成果分別獲得2006年度和2007年度國家科技進步一等獎。
在高新技術領域和社會發展所急需的計量技術方面,為應對加入WTO對我國計量基標準的國際比對和國際互認提出的更高要求,保證我國基標準量值與國際一致,提高為國民經濟和社會發展的技術服務能力,為發展高新技術和解決生產、貿易中重大技術難題提供技術手段和技術支持,我國啟動了一批計量科學研究項目,如納米計量標準、GSM數字移動通信綜測儀校準系統、工頻諧波精密測量技術研究、強雷射與高能雷射計量標準與溯源裝置研究等。
此外,標準物質領域量化分析的校準測量能力也得到長足發展,研發了各種標準物質,滿足了各行業領域檢測的基本需求。在工程技術特性測量標準物質和生物化學以及生物工程學標準物質領域,也做了大量開發與探索性工作,取得了突破性的進展。
「十一五」以來,伴隨著科技體制改革的深入,我國基本完成了計量各學科領域優化布局和組織結構調整,凝練和提升了科技創新目標,落實了管理和運行機制創新,制度建設取得了明顯的成效;加強了創新隊伍建設,凝聚和培養了一批年輕高水平計量科技人才。 如飛秒雷射光學頻率梳的研究課題,通過飛秒光梳技術使微波頻率與光學頻率得到連結,實現了雷射頻率的直接絕對測量,在國內首次實現了以氫原子微波頻率標準為參考的碘穩頻532納米和633納米雷射頻率測量,技術指標達到國際先進水平。腔長可變式法-伯標準具的固體密度基準研究課題提出改進型五步算法,將技術上難以實現的步長準確控制轉換成步長測量,解決了精密測長中的技術難題,並利用壓力掃描原理,建立了一套高準確度的相移法精密測長系統,對矽球直徑的測量重複性達到4納米,固體密度測量的合成標準不確定度達到2.2×10-7,達到國際先進水平,課題的成果將為阿佛伽德羅常數的準確測量奠定基礎。材料熱物性測量標準研究建立課題研製開出發6套具有完全自主智慧財產權、適用面比較廣、測量溫度範圍寬、測量手段比較齊全的材料熱物性測量標準裝置,其性能都與美國NIST和德國PTB的裝置性能完全等效,大部分裝置的測量不確定度達到了國際先進水平。
為了2008年北京奧運會的順利舉辦,科技部啟動了「奧運科技行動計劃」專項研究。其中,奧運會輻射安全檢測系統關鍵技術研究和奧運食品中違禁藥物檢測急需標準物質研製兩項課題,為奧運安檢溯源提供了技術保證。另外,科技部組織的水大流量計量研究與三峽流量計量課題,解決了三峽大水流量測量問題,為三峽工程準確測定水流量及發電量提供了幫助。用於納米臺階高度、線寬、線間隔樣板等檢定測試的「計量型原子力顯微鏡研究」課題,對於提高我國納米測量的準確性,實現納米量值的統一,進而實現我國納米測量的量值與國際量值的一致具有重要的意義,為我國納米技術的研究和生產提供了有力技術保障。工頻諧波的精密測量技術研究可滿足開展工頻諧波的校準檢定、統一國內量值以及參加國際比對,探討及解決了角差測量等許多在模擬技術中難以解決的問題,能夠實現電力系統準確測量電能,保證能源節約技術應用的系統安全,測量方法具有普適性,在精密測量技術中具有推廣價值,成果也達到國際領先水平。