趙微｜以時空為尺，探尋物質最深處的變化

古語云：一葉落，而知天下秋。葉落，指的是秋葉從枝頭落到地上的空間距離的運動，以及在飄落過程中時間維度的流逝。而所謂葉落知秋的說法之所以成立，是因為其代表了一種見微知著的邏輯，即透過正確認知細微處物質的動態變化而推演出宏觀世界發展的趨向與結果。

這不僅是文學、哲學，更是自然科學。只不過到了現代科學，大家對細微事物的觀察不再侷限於落葉，而是深入微觀粒子層面。多年來，上海大學環境與化學工程學院教授趙微致力於高時空分辨電化學成像與測量領域的研究，透過對單分子、單顆粒、單細胞的空間與時間變化來從最本質處認識物質世界的客觀變化規律。

眾所周知，唯有不斷探索事物的客觀規律才能推動自然科學蓬勃發展。這是人們認識世界的必經之路，是社會發展的堅實基礎，也是趙微克服一個又一個科研挑戰的價值所在。

▲趙微在實驗中

榜樣指引前行

時至今日，當趙微再次回憶起16年前的那場會議，依然會心緒翻湧，感慨良多。

將時鐘調回2006年，彼時，處於奧地利、瑞士和德國三國交界處博登湖畔的林島小鎮群星璀璨，彙集了來自世界各地的23位諾貝爾獎獲得者及眾多的傑出青年學者，他們此行皆是為了參加第56屆林島諾貝爾獎得主大會。

趙微就是與會的25名中國青年學者之一。

彼時的她正處於攻讀博士階段，師從我國著名分析化學家和教育家、中國科學院院士陳洪淵先生。陳洪淵先生治學嚴謹，尤其注重言傳身教，他總會在科研上提出創新的想法，常常與學生一起“頭腦風暴”。作為陳洪淵先生門下學生，趙微早早就在科研領域展現出潛力。

在讀博期間開展電化學生物感測器的研究時，她便參與了徐靜娟教授主持的“周圍神經束性質的快速原位電化學檢測研究”專案。在陳先生和徐老師的指導下，她與臨床外科醫生合作，期望在手術中快速鑑別運動神經與感覺神經，提高患者肢體預後的功能。最終，這項研究成果成功發表在《分析化學》

（

Analytical Chemistry

）

上，還申請了國家發明專利。

▲趙微（後排右一）與陳洪淵先生和徐靜娟教授在德國留影

也正是基於她讀博期間出色的研究成果，趙微通過了中德科學中心的層層選拔，獲得極其寶貴的機會，與諾貝爾獎得主共聚一堂，作為正在攀登科研金字塔的青年學者，聆聽已經登頂的大師們的研究經驗與心得感悟。

趙微猶記得，當自己向諾貝爾獎獲得者——膜片鉗發明者厄溫·內爾

（Erwin Neher）

教授詢問道：作為一名科研工作者，該如何面對科研上的困難和倦怠？

面對這一問題，厄溫·內爾教授回顧了自己大半生走過的科研路程，並語重心長地對趙微說道，不要畏懼困難和挑戰，正是多學科的學習、對於科學問題專注的思考、以及多年來堅持不懈的實驗工作，才使得他獲得瞭如今的成就。

趙微將這句回答深深地印在了心裡，並將其濃縮為一句：不要畏懼困難和挑戰，挑戰可以促使人進行更深入的思考，使我們更接近真理。

彼時的趙微還沒有想到，此後自己將在科研道路上經歷數不清的挑戰，而這句話則在她每次面對挑戰與困難時給她指引，賦予她勇氣。

與挑戰共同成長

很快，趙微就迎來了自己研究道路上的一次令人難忘的挑戰。

2008年，在參加林島諾貝爾獎得主大會兩年後，剛剛取得博士學位的趙微獲得中德科學中心的資助，前往德國專家貝姆

（Jürgen Behm）

教授的實驗室開展博士後研究工作。

Behm教授師從諾貝爾獎得主埃特爾

（Gerhard Ertl）

教授，在固體表面化學過程的研究中有著極高的建樹。趙微希望能在博士後階段拓寬自己的研究領域，學習更多的知識。然而從電化學感測方向到燃料電池介面電化學反應線上分析，研究內容和儀器方法完全不同，這給她帶來了很大的壓力。更讓人為難的是，上一位在Behm教授組從事這項工作的學者失敗了，僅僅給後來者留下了一本儀器操作手冊。

新的科研方向，新的科研環境，一切都要自己摸索。面對壓力，趙微想起了當初在國內求學時，陳洪淵先生講給她的自己當年在嚴重缺乏研究裝置的環境下堅持科研工作的經歷，無論處於怎樣資源匱乏的環境，先生都不曾放棄學習。與此同時，當初在林島諾貝爾獎大會獲得的啟發也浮現在她心裡。

想到這些，趙微很快沉下心來，進入苦研狀態，她研製了一套線上萃取裝置，這一裝置可以對電池反應的產物進行實時的分離。因為她出色的研究成果，趙微獲得了德國洪堡基金會的資助，在之後的兩年中，她完整地構建了一套系統，包括薄層電化學池、微分電化學質譜和電噴霧質譜。這個裝置實現了對燃料電池反應過程的完整記錄，使研究者增加了對於電化學反應生成中間產物、主產物以及副產物的機理的認知。

正應了那句話：“挑戰可以使人更深入地思考，更加接近真理。”博士後期間的刻苦鑽研，讓趙微對整個科研從理論到實踐的過程有了完整的思考。

科研生活就好像好萊塢影片一樣，在經歷令人緊張的情節之後，總會進入一個相對平靜的階段。受德國高度工業化的環境薰陶，趙微開始關注工業化方向的研究，希望能夠透過自己的工作，實實在在地推動儀器行業的發展。因此，2011年回國後，她選擇進入安捷倫科技上海有限公司擔任高階工程師。

於她而言，那是相對平靜，也非常充實的4年，但她也坦言，內心深處總有一種說不清、道不明的缺憾。直到2015年她回到南京大學拜訪陳洪淵先生，瞭解到陳先生正在主持一項重大儀器專項時才猛然發現，自己最想要的，仍是接觸更前沿、更高難度的工作。

“誠然，在一個優秀的企業裡，你做的研究是世界前10%的水平，但只有在科研界，你才能觸及那前1%。”趙微說道。

看清楚自己的內心之後，趙微毅然做出決定，回到南京大學化學化工學院從事高時空分辨電化學成像與測量方面的研究，去接觸更加前沿的科技，迎接更大的挑戰。

之所以說是更大的挑戰，主要原因是科技的發展日新月異，對於之前在工業界從事4年工作的趙微來說，已然錯過了很多。但每當感到壓力巨大的時候，陳先生的教導和對科研的熱愛總會支撐她義無反顧地繼續走下去。直到後來，她從南京大學來到如今所就職的上海大學開始獨立建設課題組，面對全新的環境和挑戰，對科學和真理的追求仍時刻賦予她勇氣和力量。

▲林島學者在德意志學術交流中心總部（趙微為二排左五）

科研服務於社會

2021年，《科學》雜誌釋出“全世界最前沿的125個科學問題”，其中一個問題就是：如何在微觀介面測量介面現象？再次回到學術界的趙微從事的就是這一領域的研究。

人眼所能分辨物體的最小尺寸是50～100微米，如果藉助顯微成像技術，則可以將觀測範圍深入奈米甚至單個原子尺度。但這樣就可以正確瞭解物質了嗎？無論是哲學還是現代科學，都在告訴人們，世間萬事萬物都處於不斷變化之中，所以趙微說道：“世界是動態的，介面現象是不斷變化的。”

但要在分子、原子水平精準地觀測動態的變化，來描繪三維世界化學反應的真實圖景，其間的難度何其高。要知道，目前針對微納介面的測量常常為了獲得高靈敏度和某一維度的高解析度，而放棄對完整過程資訊的追求。這就好比對待物質世界觀其貌而不觀其全貌，又如何能獲得正確的認知呢？

為了能夠在極其微小的空間內實現對於極其微弱訊號快速而精準的測量，趙微結合電化學測量的高靈敏度和光學訊號的高讀取通量，研製成基於電化學發光的“超靈敏微納介面電化學發光成像”裝置。

據趙微介紹，電化學發光源於電化學反應電子轉移過程中將電能轉化為輻射能的過程，其承襲了電化學測量快速響應，高靈敏、高時空可控性等特點，又結合了光學測量通量高、所見即所得的優點，可直接成像與測量微納介面分子反應的核心——電子轉移過程。

藉助這一裝置，趙微透過對異質金屬雙面神

（金-鉑結構）

介面電化學反應的實時成像，首次發現這種異質結構奈米材料具有更高的催化轉化效率及穩定性。基於電化學發光超靈敏成像策略實現了單顆粒介面電子轉移、物質遷移及表面吸附等過程的分析研究，並且闡明瞭奈米異質材料特殊電催化效能的微觀結構基礎。值得一提的是，這一研究尤其有助於能源領域先進材料的設計、合成以及篩選。

儘管實現了微納介面電化學反應過程的超靈敏成像，但趙微並未滿足於此。在她看來，科研之路就像爬山，越過一座山丘之後，後面還有一座座山巒等待著自己。

比如電化學發光成像雖然可針對電子轉移過程進行超靈敏的實時測量，然而受限於光學衍射極限，其空間解析度介於200～300nm之間，難以提升。為此，她又建立了“超分辨電化學發光成像”新方法，將影象重建技術與電化學發光成像結合，研製成超分辨電化學發光顯微鏡，突破光學衍射極限，使成像空間解析度達到100nm。

在此基礎上，她帶領團隊採用超分辨電化學發光成像，測量一維和二維奈米材料表面電化學活性分佈，探索晶格結構和表面缺陷與表面化學轉化率之間的本徵關係。隨著反應進行，配位數低的高活性表面原子更易於因表面氧化及反應物吸附而失活，這一過程可於數秒內發生，介面電化學反應被實時記錄下來，從而獲得電化學反應中催化劑的空間活性位點及隨時間改變的化學轉化率的完整圖景。

當然，這一領域研究的應用方向是發散性的。如趙微所說，高時空分辨電化學成像是用來觀測三維世界的物質，這其中自然也包括生命，或者說是生命體內細胞的生老病死。受此啟發，趙微研製了“分子動態過程實時成像”電化學發光時序測量裝置，透過它可成像奈米-生物介面分子的動態過程。

眾所周知，生死之間的距離包含著細胞的新生與死亡，醫學可以透過種種手段來治癒人體，但前提是足夠了解這個過程。目前單細胞動態成像的侷限在於，在傳統的明場成像中，因對比度不足，會丟失很多重要的過程資訊。趙微研製的“分子動態過程實時成像”電化學發光時序測量裝置，可跟蹤焦亡過程中單細胞介面的動態變化，精準成像細胞形態結構的改變、細胞基質粘附性的變化、焦亡小體的產生，以及細胞膜通透性的增加等過程，在毫秒級時間尺度上開展單細胞測量。

這一工作增加了對細胞生命過程的理解，同時也為體外的精準測量和在體的臨床應用研究提供了全新的方法，推動了電化學發光在化學測量學與生命科學領域的應用。

無論是提出“超靈敏電化學發光成像”的分析新策略，還是研製出“分子動態過程實時成像”的電化學發光時序測量裝置、建立“超分辨電化學發光成像”新方法，抑或是其他的重要研究成果，於趙微而言，都是她在過往一路的科研過程中必須接受的挑戰。

挑戰的目的是為了探尋自然界最本質的科學問題，而最終的目標一定是為社會發展服務。在科研始終圍繞社會生產力發展的前提下，趙微希望將研究發現應用於生產實踐，去推動能源領域和生命科學技術的發展。趙微說，在未來，她也會攜團隊一起著手相關成像與測量儀器的產業孵化，爭取讓更多的科研工作者能夠使用到團隊自主研發的裝置。

顯然，未來的科研道路上還有數不清的挑戰在等著趙微，但她相信自己有足夠的勇氣與底氣來迎接這些挑戰。