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  累累硕果报国家  
          2011-07-10    作者:     【关闭】  
 

董绍俊说:“是祖国培育了我,祖国永远是我动力的源泉。”正是这种对祖国和科学无比深沉的爱恋,半个世纪以来执著地探索开拓,不懈地创新攀登,用辛勤的汗水浇灌出一朵朵绚丽的鲜花,做出了一个又一个国际水平的创新贡献。

(一)改写外国专家“定论”,与分析化学结缘

上世纪50-60年代,董绍俊所从事的是极谱分析研究。在这项研究中,她建立了硅中痕量杂质测定和极谱电极过程的鉴别方法,深入开展了络合物的极谱电极过程研究,使她深深感受到科学探索与成功的快乐。60年代中期到70年代,她先后对稀土元素汞阴极电解、变价稀土元素、稀土固体化学等系列国内外十分活跃的课题进行了大力开拓,取得了显著进展。国家请来资深的前苏联专家到应化所指导工作,她断言:“稀土电沉积率不能超过70%”,她还信心十足地说:“如果谁能超过此值,我愿以脑袋打赌。”面对外国权威专家的结论,董绍俊以初生牛犊不怕虎的勇气和胆识决心去验证一下。她另辟蹊径,经过22个昼夜的奋战,实验结果证明:稀土的沉积率达到90%以上。这一结论使这位苏联专家大感意外,由怀疑转为钦佩,并称赞她“开辟了电解法分离稀土的新途径。”,她以无可辩驳的实验数据修正了外国专家的错误结论,深得国际同行的认同和赞赏。“十年动乱”期间,科研的正常秩序被打乱,董绍俊被指令离开她辛勤耕耘、并已有坚实基础的电分析化学专业而另行安排,长达15年之久,而她却依然矢志不渝地把精力倾注其所挚爱的科学事业中。在此期间,她建立了等离子体技术冶炼稀土永磁合金方法;提出了电化学还原铕的分离提纯新途境,通过放大实验并推广到化工厂。她被指派两次下乡劳动锻炼,在如此境地她也不放松业务学习,并自愿为青年教授外语。1978年,科学的春天来了,历经磨难的祖国又回到了以经济建设为中心的正确轨道上来。在这大好的形势下,1979年末她终于回到了久违的电分析化学实验室。面对曾经熟悉而又陌生的电化学学科的快速发展现状,使她在兴奋之余,倍感压力重重。

(二)聚焦化学修饰电极,创新科研成果

科研的本质在于创新。总在后面重复别人的工作,必然不能超越。1980年,董绍俊广泛涉猎国际相关学科的发展,她敏锐地预见到“化学修饰电极”(CMES)是电化学研究从被动认识到主动控制的重要飞跃,是开展能源、材料、环境及生命科学研究的重要基础之一,也是国际上同行们竞相研究的科学前沿和热点。面向国家需求和世界科学发展前沿,董绍俊率先在国内开拓了这一领域的研究。经过大量文献调研,充分论证和系统的前期研究工作,她认识到,由于界面化学修饰方法有难度而不易获得稳定、重现的膜,导至CMEs的研究类型上有相当局限性;同时,界面表征方法复杂而手段单一,特别是缺少交叉学科如光谱电化学的原位表征方法,造成对CMEs反应过程往往认识不清,有时出现互相矛盾的论点。另一方面,CMEs反应存在多界面等各种复杂因素,致使界面电化学理论处理相当困难;在电催化研究中忽略了CMEs普遍存在的不稳定问题。用传统的旋转圆盘、旋转环盘电极法所得电极过程动力学数据重现性很差,有关化学修饰超微电极的电催化动力学研究还处于空白。

针对上述情况,从1986年开始,董绍俊围绕着扩展CMEs类型,建立电化学原位谱学表征技术和方法、电催化理论处理以及CMEs功能和应用等方面进行了大量系统的研究,为以后在该领域取得的重大突破奠定了重要基础。

进入90年代,自组装技术引入电极界面修饰。自组装膜的有序、定向及密集特征为电化学提供了重要的实验平台,是研究表面和界面现象的理想模型。董绍俊及时迅速地开展了分子自组装有序膜修饰电极的研究。同时,注意到国际上广泛关注金电极界面的分子自组装,而相对忽视碳电极上自组装的研究。根据碳电极具有较宽的电位窗口、化学惰性、稳定且导电性好的特性,她认为在碳电极上进行有序地自组装,必将开拓电化学研究和应用的新局面。为此侧重研究在碳电极上分子单层和多层膜自组装以及有机-无机杂化膜自组装,来提高自组装修饰电极的水平。同时,近期纳米科技的飞速发展,使她预感到纳米材料的自组装和纳米金属界面的化学修饰研究,肯定会推动理论和应用的深入和开阔;围绕界面微结构和电极功能关系进行研究,必将在原子、分子、超分子水平修饰的电极界面上,取得设计和功能一致效果的重要突破,发展前景美好。

从1986年立项(功能化电极界面的研究----从化学修饰到自组装)到2005年,董绍俊率领科技人员不计晨昏、披星戴月苦干了整整20年。多少次失败,多少个艰难,她都始终矢志不移,硬是凭着“咬定青山不放松”的科学精神和坚韧品质,“20年磨一剑”,在化学修饰电极、自组装、表征、理论和应用等方面,取得了系列重大的创新性成果。

1、开拓了界面修饰、自组装和表征方法

董绍俊在国内率先开展CMEs研究,创新了表面合成方法,研制新的CMEs 90多种,其中有修饰单层膜,包括无机物(多酸类、混合价态化合物、氧化物、一维导体和纳米金属等)、有机物(神经递质、染料等);有修饰聚合物膜,包括氧化还原型(金属茂、金属卟啉和酞菁等)、导电型(聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺类以及它们的衍生物)、离子交换型(阴、阳离子交换剂)聚合物。从分子水平设计并拓展在金、特别是在碳上单层和多层分子及纳米金属膜的有序组装。撰写了《化学修饰电极》专著,自1995年出版以来,被国内外同行专家评价为“按国际标准,此书是该领域中世界一流的优秀专著。”、“此书是化学修饰电极等领域科研教学必不可少的优秀专著。”、“期望将此书译成英文,使国际上有关工作者受益”等。2003年经修订再版并被选为中国科学院研究生教材。目前,此书已成为国内及中国港台地区相关领域的科研工作者必备的参考书。2005年,董绍俊又为英国“分析科学大全”撰写“化学修饰电极”专论

2、建立光透光谱电化学原位表征技术和方法

60年代出现的光谱电化学交叉学科方法,一直是国际上十分活跃的研究领域。从80年代初董绍俊率先在国内开展了光透光谱电化学的研究,并拓展不同类型的谱学电化学的原位表征技术和方法,研制成功多种短、长光程的光透薄层电化学池,创新性地提出了光透法用于定量分析的理论以及圆二色谱谱图解析方法,据此阐明了一些过程复杂、处理困难的反应机理问题,为解析生物大分子在电场作用下的构象变化发挥了重要作用。构建了电化学-等离子体共振(EC-SPR)装置,原位研究分子识别、聚合物掺杂动力过程;提出纳米金属放大信号,用于药物控制释放和灵敏分析,开拓了SPR用于检测小分子的途径。发展电化学发光(ECL)方法,首次提出固态电化学发光设计及新体系,为提高检测灵敏度和扩展分析应用奠定了基础。设计、构筑金属纳米结构以增强拉曼(SERS)效应,发展了高灵敏的生物分析技术。首次提出利用金属纳米粒子的荧光内滤效应发展新的荧光检测方法。1993年出版专著《光谱电化学方法—理论和应用》,应邀为国际科学丛书撰写相关专论8章/册。

3、研究化学修饰电极电催化理论和实验方法

针对修饰界面的复杂性和电催化的不稳定性建立了一套研究不稳定体系电催化的流体动力学理论和实验方法,并以金属卟啉CMES电催化O2还原为典型进行研究,得到了实验验证。提出旋转圆盘电极上的扩散层扫描流体动力学方法,避免了电极活性降低及溶液组成变化造成的测量误差。特别对于单分子层化学修饰电极电催化体系的研究,保证了稳定、重现并具有快速简单的特点。被专家评为“创立了电催化动力学等一系列新理论和实验方法,填补了学术上的空白”。

建立了一套适合于电化学修饰超微电极电催化的理论和模型。以Redox体修饰超微CMEs为典型,提出相关的电催化理论;建立了完整(十一种)动力学模型。提出了测量动力学参数,优化电催化体系的方法,并以二茂铁膜修饰超微CMEs催化VC、普鲁士蓝膜修饰超微CMEs催化VC、Eastman AQ-QS(bpy)32+膜修饰超微CMEs催化IrCl6-等体系为例进行了实验验证。由美国M.E.G.Lyons撰写的“Electrochemistry, Developing Methodologies and Application”一文中,把此项理论及应用作为电化学新方法推荐。

4、发展了生物分子直接电化学和电化学传感器

早在80年代初,董绍俊就瞄准色素蛋白直接电化学的研究:(1)发现了一些重要生物大分子的直接电子转移,进一步研究电化学控制释放,实现电化学释放药物和生物大分子的定量控制;(2)发现亚甲基兰CMEs促进血红蛋白的电子转移,有广谱意义(3)发展一类生物相容性好的新型材料固定化酶,首次研制出在极端条件(完全无水,酸性介质)下能工作的生物传感器。设计并合成有机-无机物杂化材料,用以包埋酶制备生物传感器,呈现响应灵敏和高稳定的特点。近期,据此包埋微生物菌群研制的BOD生物传感器,实现了在线水体监测,稳定性超过半年。为提高水体中有机污染物的降解效率,目前,正探索现场培养微生物膜反应器检测BOD的新途径,以及开始建立检测水体毒性的电化学新方法。(4)发现了导电聚合物氧化还原中离子的掺杂/去掺杂反应,首创一类新型的电化学传感器。这项研究引导了国际学者的兴趣并大量跟随,连续几届(至今)她被“国际合成金属学术会议”(ICSM)聘为国际学术顾问;(5)在金电极上欠电位沉积纳米钯,灵敏地电催化还原溶氧(DO)且信号稳定,该DO电化学传感器有应用价值;进一步采用微阵列金电极提高DO的传质速率,可在免搅拌下进行DO的灵敏检测,研制DO电化学检测仪,有望推向市场。

将分离、富集和测定结合于一体的CMEs,能高选择、高灵敏地检测痕量金属、离子、有机物、DO、BOD和毒性等,展现了环境水质分析应用的前景。

(三)纳米微结构、生物/电化学传感研究

近期的工作主要在纳米微结构、生物/电化学传感及应用领域。

1、在纳米材料的设计合成方面,提出了多种可控合成各类金属、磁性纳米粒子、半导体量子点、聚合物纳米带以及石墨烯等的高效、简单途径;研究界面上一维、二维和三维的自组装方法并发掘功能,用于电催化、生物分子直接电子传递和生物传感等,受到国际同行的高度评价,应邀为Chem. Soc. Rev.撰写有关石墨烯研究进展的评述文章(2011年)

2、建立新的表征方法:首次提出欠电位沉积法,准确测定电极面积以及观测自组装的动力学过程;建立了测定自组装膜表面pKa的电流滴定法已为澳大利亚大学采用为教材。利用包络物隔离以排除静电干扰,有效地解决了电活性物种不易形成有序自组装膜的难题,以及组装膜的微结构对电极过程动力学影响等,以上工作对自组装的基本问题研究做出新贡献。

3、围绕功能微纳米结构设计、组装,开展了电催化和传感应用方面的系列研究:如构筑碳纳米管/离子液体/铂纳米粒子三元杂化体、石墨烯/三维铂钯双金属杂化体等等,能高效、稳定地催化氧化甲醇以及还原氧气,这些原创性结果将为研制燃料电池提供一定基础;设计组装各种含酶分子的微纳米结构膜进行阴极和阳极的修饰,制备出性能优良的生物燃料电池;提出基于生物燃料电池的自我供电、智能逻辑器件,以及基于自我供电和可重复使用的生物计算安全体系等,探索生物计算引入传感系统的途径和发展前景。以适配体为生物分子识别元件组装入微纳米结构中,发展了多种适配体电化学传感器和适配体荧光传感器,具有制备简单,检测灵敏的优点。

取得的研究成果先后荣获国家自然科学奖3项;并在1997-2009年间获得中科院和吉林省自然科学和科技进步奖10项。在2008年1月8日召开的国家科学技术奖励大会上,获国家自然科学奖二等奖的董绍俊受到胡锦涛、温家宝等党和国家领导人的亲切接见。全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥也致函祝贺,对她在科学事业中做出的重大贡献给予了充分的肯定和褒奖。

(四)创建并领导中国科学院电分析化学开放研究实验室

长春应化所现在的电分析化学国家重点实验室是在建所初期成立的极谱实验室的基础上,经过50多年的持续创新发展建立起来的,是我国最早开展电分析化学研究的实验室。1989年经中科院批准,成立电分析化学开放研究实验室,是我国第一个分析化学方面的开放实验室,是我国电分析化学领域的重要研究中心。据美国ISI和国际跨国公司Elserier(1993-1997)调查,该实验室曾被列为国际电化学实验室发表论文最活跃的前10名。2001年,经科技部批准进行国家重点实验室建设,2002年通过科技部验收,正式挂牌运行,是我国分析化学领域第一个国家重点实验室。

由于全室师生的共同努力,特别是在汪尔康院士的指导、参与和大力支持下,从一个普通的极谱实验室发展成为中科院开放研究实验室,后晋升为国家重点实验室。作为一个科学家,她深深懂得:要出一流成果和一流人才,必须要有一流的实验室作为平台支撑,有了梧桐树,才能引来金凤凰。在这种发展理念的驱使下,她狠抓实验室的基础建设,注重围绕国家需求和世界科学发展前沿,动员组织科技人员积极建议和勇于承担国家、中科院及地方的重大科研项目;针对实验室的发展不断强化人才的引进和培养,广泛开展国内外的学术交流合作,狠抓实验室的学风建设和科研道德,坚持走仪器引进和自主研发相结合的道路,大幅提升了实验室的科技自主创新能力、竞争力和影响力,有力地推进了实验室的开放、联合和创新发展,目前已成为我国分析化学领域活跃的创新基地。