观察 | 加州纳米系统研究所科研设施简介

文 | 贺飞（北京大学）

美国加州大学洛杉矶分校（以下简称UCLA）非常重视发展校内科学仪器公共平台，将其作为其推动研究卓越和创新创业的重要工具，成立专门的跨学科机构进行管理,从发展理念、队伍建设、制度保障、资源配置、共享机制以及学生培养等各方面都给予落实。其UCLA加州纳米系统研究所（简称CNSI）是2000年12月由加州政府资助在加州大学成立的四家科学与创新研究所之一，是一所依托UCLA和加州大学圣巴巴拉分校的交叉学科机构，重点关注纳米科学和纳米技术两大领域。

CNNI建设之初，就秉承“为科学创新和产业化建立一种全新的平台和模式”的理念，瞄准纳米技术的制高点，开展跨学科的研究和开发，并大力推动与政府部门、投资界和产业界的合作，通过组建产业联盟和投资联盟，成功构建了纳米研发平台、技术转移平台和产业化平台，形成了产学研一体化的运行新模式，初步成为一个与产业界结合紧密的科技创新中心。

UCLA为CNSI提供16个联合聘任教师岗位。包括这些联聘岗位共有105名成员，全部是长聘制或预聘长聘制的UCLA教师，分别来自医学院、工学院、自然科学学部和生命科学学部、公卫学院的24个系。重点在4个领域开展研究：能源、环境、健康以及信息技术。重点在可再生能源、替代燃料、储氢、水净化、纳米安全和纳米毒物学、三维电池、早期医疗诊断、表把药物输运以及分子开关等。其主要特点有：多学科和跨学科研究和人才培养；开展全新的潜在的科技革命领域的研究；其研究领域在全球有重要应用：能源、环境、健康以及信息技术；形成科学成果从实验室到市场快速转化的有效方式的机制；同亚洲、欧洲、北美和南美的顶尖大学和研究机构合作创建了一个国际研究中心；为本科生和研究生提供的教学项目让学生接受纳米科研的创新技能。

CNSI建筑面积1.7万平方米，2007年投入使用，为了支持研究，CNSI建设了8大核心设施，干湿实验室俱全，包括先进光源显微/光谱技术、大尺度成像、量子研究中心、纳米机械电子成像中心、整合纳米材料、整合系统纳米专配超净间、分子Screening共享资源、纳米和皮米表征、学生训练和生物合成实验室等。主要设备包括电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、光学显微镜以及光谱仪、高通量机器人技术、以及class 100 和1000 超净间。每一种核心设施均为CNSI和其他单位教师提供关键研究空间，也可以为产业界和其他单位提供服务。设施的使命是为利用先进的显微和谱学和先进成像分析技术研究大分子、细胞动力学和生物材料的纳米尺度表征提供共享设施，并提供咨询、服务和支持。其科研资源不仅仅限制在先进设施，还包括提供新的成像试剂和新的仪器技术。

先进光学显微镜/光谱学设施能提供全方位的高级别、个性化的生物荧光显微和小动物成像设施，能研究有机体、活细胞到纳米精度的单分子检测水平的高时空分辨的生物过程。地下室和二楼两个实验室各占地1000平方英尺，优化精心设计，有着符合要求的环境控制（低震动，空气过滤，空调（±1°C）以及不透光等）和服务。目前提供的服务包括：宽场荧光成像显微镜(在有限的基础上)、单光子和双光子激光共聚焦显微镜（点扫描和旋转盘）、荧光相关光谱(FCS),荧光共振能量转移(FRET), 微观和宏观荧光寿命成像(FLIM)（有时间相关单光子计数(TCSPC)和近红外(NIR)检测）、受激发射损耗激光扫描显微镜(STED)(一种超高分辨技术)、微观和宏观(小动物)混合像元分解和激光捕获显微切割等。

生物合成化学核心设施(BSCCF) 可以合成有机小分子辅助生物学研究。尽管高通量筛选能发现高药物潜力的分子或前体（Hits），但并非总是切实可行。BSCCF能快速将这些前体转换为有用的生物工具。设施运行时串联CNSI的分子筛选共享资源（Molecular ScreeningShared Resources (MSSR) ）核心设施，这是一套高通量设施。有了BSCCF设计和准备分子用于测试生物效应,仅仅需要化学合成就可以完成，这套创新设施可用于许多学科，工作在生命科学的前沿领域。

纳米机器电子成像中心（Electron Imaging Center for NanoMachines，简称EICN)是NIH主要仪器项目支持一套先进电子成像工具，可以开展生物大分子的机理研究。EICN 目前涵盖纳米到几十个微米级范围，传递有价值的细胞生物学、生物分子、分子和材料科学的结构信息。先进的EICN设施将提供所有主要电子成像方式。 Currently availablecapabilities at EICN 包括接近原子分辨的单粒子冷冻电镜(cryoEM)、分子分辨的冷冻电镜(cryoET)、高分辨透射电镜(TEM)以及扫描透射电镜(STEM)和能量色散X射线 (EDX)分析质量和基本图谱，这些结构化方法为微生物学家、细胞和结构生物学家、化学家和材料科学家、提供大范围的组装、器件和材料的三维结构表征。设施由高级和经验丰富的技术人员操作，能帮助用户解决复杂的电子成像需求。

整合纳米材料实验室（Integrated NanoMaterialslaboratory (INML)）是一套先进纳米材料合成和表征的设施，通过纳米材料开发满足未来关键技术需求，整合纳米科学与电子学、光子学、可再生能源、化学、生物学和医学等学科。其核心设施除了互联的GEN 930分子束外延(MBE)系统外，还装备有其他多种材料合成、生长监测和加工和表征工具。可以在超高真空(~10 ^-10Torr)纯净环境生长III-V和III-N半导体材料，在纳米器件生长、量子点以及单原子厚度的半导体薄膜研究有着明显的优势，在太阳能电池、激光、热光电和检测器以及其他光电器件领域有着重要的应用。

整合系统纳米加工超净间(ISNC) 占地8,900平方英尺，其中680平方英尺是万级区，此外有4个100级区(其中3个为黄光光刻应用)和8个1000级区（其中两个用于生物学研究）。

分子仪器中心（ Molecular Instrumentation Center (MIC)）的主要磁共振设施包括一台EPR谱仪和6台高场NMR质谱。其中5台NMR用于液体样品，1台为固体样品。其质谱和蛋白质组学实验室提供多种MS离子化方法（包括EI、CI、MALDI、DART、ESI以及APCI）。质谱分析器包括时间飞行、四级杆、离子阱、轨道阱、粒子回旋共振(FT)分析器，以及多台串联组合的质量分析器，还可利用色谱前端分离样品。X射线衍射实验室包括两台单晶体X射线衍射仪，两台粉末X射线衍射仪。材料表征实验室包括多台光散射谱仪，多台分光光度计；扫描探针显微镜(AFM/STM)，一台SQUID磁力计，一台扫描电镜以及一台X射线光电子能谱仪。

分子筛选共享资源(MSSR)实验室的高通量筛选(HTS)平台在生物和化学分子的研究中发挥着独特的作用，主要围绕药物发现开展基础研究和转化医学研究。

纳米和皮米表征实验室(NPC)提供先进的方法里通过扫描探针显微镜（SPM）表征表面、吸附、纳米结构和器件等，主要用于开展材料科学研究。可以在极端真空环境工作

(UHV),也可以在大气环境下工作，甚至在液态环境下也可以工作(包括生物流体和电化学环境)。

CNSI的科研平台设施建设，立足于多学科和跨学科研究和人才培养，开展全新的潜在的科技革命领域的研究，其研究领域在全球有重要应用：能源、环境、健康以及信息技术，并且初步形成了科学成果从实验室到市场快速转化的有效机制，同亚洲、欧洲、北美和南美的顶尖大学和研究机构大量开展合作，同时为本科生和研究生提供教学，让学生接受纳米科研的创新技能。

CNSI的科研平台设施先进，建设起点高，都是立足于前沿和最新的技术应用，并且是成体系配套的，在功能和适用范围上是互相补充的，可以满足各种实验条件的需求，这一点尤其值得我们借鉴学习。

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