NIST就新单位制复现开展的工作和关于新

年8月31日，国际计量委员会（CIPM）副主席、国际计量委员会-物质的量咨询委员会（CIPMCCQM）主席、美国国家标准与技术研究院（NIST）前院长威利·梅（WillieMay）在由中国计量科学研究院主办的“从实物到原子——原子时诞生50周年”学术会议上作题为“NIST就新单位制复现开展的工作和关于新单位制量传的计划”（NISTActivitiesfortheRealizationandPlansforDisseminationoftheNewSI）的报告，以下是报告录音及全文翻译。（翻译疏漏之处难免，敬请在留言区指出。）

吴局长，女士们先生们，下面我将和大家分享美国标准与技术研究院NIST就新SI的复现和传递所开展的工作以及计划。报告将从这样一个人的角度出发（指WillieMay自己），他为NIST工作了大半辈子，从一名普通化学实验员做起，今年1月从分管标准与技术工作的美国商务部副部长兼NIST院长岗位上退休。

我最早与量和质量打交道，是参与一项污染基线（pollutionbaseline）评估项目的时候。由于造成环境污染的原因有很多种，我们必须通过实际测量数据对污染源进行一一验证。我们需要准确测量阿拉斯加地区环境中污染物的累积值，通过计算得到其中石油类的碳水化合物的实际含量，为政府决策提供依据。

我一直都很喜欢中国，每次来这里都受到了热情款待——但有时候中国计量院的同行们太热情了。从这张照片你们可以看到，虽然我脸上还带着一丝微笑，但相信我当时我真的被吓惨了。

图为上世纪90年代May到中国参加CIPMCCQM有机分析工作组（OAWG）会议期间所摄，PPT称之为“有史以来最佳的气氛炒热剂”

我所在的美国国家标准与技术研究院（NIST）在建立初期就明确了其核心功能：保存美国国家测量标准，传递标准量值。在SI重新定义后，NIST在美国国内的这些职责也不会变。目前，我们通过参与国际计量组织的活动，为4个基本单位（千克、安培、开尔文、摩尔）的重新定义提供支撑。当然我们所面临的挑战远不止这些——鉴于我们的使命是“为促进美国科技创新和工业竞争力提升，推动保障经济安全、提高生活品质的测量科学、标准（包括标准装置和文字标准）和技术进步”。从20世纪起，我们就意识到标准工作必须与最前沿的科学研究工作并驾齐驱（Thisstandardsworkmustkeepabreastwiththeexpansionofthefrontiersofscience）。这是一个动态的、不断发展的科学，世界各国都选用最优秀的人从事相关工作。对于工作在NIST的科研人员来说，测量不仅是使科学成为可能的手段，它自身即是科学（measurementisn’tjustapracticethatmakessciencepossible,itisascienceitself），我们把计量看作科学的一个独立分支。

NIST有两大研究基地（一在马里兰州的盖赛斯堡，占地英亩，63座建筑；一在科罗拉多州的博尔德，占地英亩，26座建筑），以及由美国政府支持的10家联合研究机构和多名研究人员。NIST目前有来自包括本国以及世界各国企业、大学的客座工作者近0人，数量比NIST正式员工还要多。从统计图中可以看出，其中65%来自本国学术机构和企业，其余35%来自25个不同地区和国家的学术机构、企业和政府机构，包括国家计量院（NMI）等。可以说，与利益或兴趣相关方合作是我们的工作模式。

NIST情况概览

关于联合实验室，早些年我们主要在量子物理方面与相关机构建立了联合实验室（主要指与科罗拉多大学波尔德分校合建的JILA实验室），目前我们已经与马里兰大学合作，在量子通讯方面建立了联合研究机构。这使我们能够有幸参与到全球量子通讯的研究热潮和竞争中，为建立量子安全通信系统、打造量子计算机做出贡献。这项工作主要由我们与马里兰大学建立的“量子信心和计算机科学联合中心”承担。

NIST联合实验室和杰出人才中心

联合实验室：科罗拉多州的JILA，马里兰州的生物科学和生物技术研究所、量子联合研究所、量子信息和计算机科学联合中心，南卡罗莱纳州的Hollings海洋实验室、加州的生物计量联合动议

杰出人才中心：国家网络安全杰出人才中心、等级体系材料设计中心、法庭科学统计数据应用中心、基于风险预测的社会恢复力计划中心

NIST目前每年向全国提供约项校准测试服务。我们觉得这是不可持续的。要保有持续增长的业务量，我们只有在计量完成量子化变革后，通过为企业提供更先进的校准服务来实现。

经典计量VS量子计量

因此，我们尽可能地将计量重新与基础物理联系在一起，用量子物理现象、用基本物理常数来重新定义计量。这使我们可以不再拘泥于传统计量中的实物基准。经典的计量是建立在实物基础上的，需要维护由标准装置组成的溯源链。企业需要将自己的实物（传感器或标准器）送到NIST，经NIST校准后再返还给企业使用。这项工作必须周期性、持续性地开展。而对于量子计量而言，维持测量结果的溯源性不再需要依靠溯源链。企业不需要周期性送检自己的传感器，因为我们可以为企业提供既是传感器又是标准的装置，使企业的测量结果不再只是溯源到国家计量院，而是溯源到SI。（PPT备注解释：WillieMay认为，在量子计量时代，NMI不应是国家量值溯源性的源头，而应成为开发量子化SI装置的源头——这种量子化SI装置既是标准装置又是传感器，企业在使用过程中只需满足“三大法则”则终身不需要送回NIST校准。目前已经实现的比如NIST研制的约瑟夫森直流电压基准（JVS）系统SRI以及为交流系统开发的KAWS系统等等。）

我们都听说过“千克”基准的问题。大家知道现行的国际千克原器是一个实物基准，是SI的组成部分。一定程度上我们也知道通过实物保存的量值会随着时间发生变化，但我们依然人为认定它不变。然而未来两年内，马汀·米尔顿（国际计量局BIPM局长）将不需要在巴黎近郊的BIPM内费劲地保存和维护千克原器了——SI单位重新定义以后，“千克”理论上可以由任何人在任何地方复现。

目前我们有两种方法复现基于普朗克常数的新“千克”：基于基布尔天平的电学千克法，以及基于浓缩硅晶体球的X射线密度测量法。今天早些时候乌尔里希教授（PTB院长）提到的就是X射线硅晶体密度测量法——其中一项关键工作是要准确测量材料的原子质量，NIST和中国计量科学研究院（NIM）对此均有贡献。两种复现千克的方法是完全独立的，可以使相关国家建立自己的质量基准——这对这样的国际开创性项目至关重要。这是我们的测量结果，以及世界不同国家计量院在不同时期的测量结果比较：

NIST基于基布尔天平的测量结果（左表为测量不确定度各分量）

不同机构在不同时期采用2种方法测量h的结果比较

下周（年9月）我们将开会讨论千克重新定义提案的相关问题，包括我们是否完全具备了重新定义千克的条件和数据，以及重新定义后我们还应采取哪些战略措施。

下图是功率天平/基布尔天平的主要原理。基于天平在两种工作模式下的等量建立起图中的等式可以（利用基于现行千克定义的质量量值m）解出h值。SI单位修订后，天平则“反过来”用，即通过已经固定的h值反解出质量m。我们的基布尔天平除了可以复现“1千克”外，还可以对1千克进行细分，实际上它可以复现0.5kg~2kg范围内的任何质量量值。光复现质量量值还不够，我们还需要将由天平复现的量值传递到客户的实物标准器上。为此，NIST建立了相应的miseenpratique（法文“实践”，在计量学领域一般指实现量值复现和传递的装置、方案、程序等），通过天平及其配套砝码，经真空到空气转化技术（已在NIST主导的研究中使用）或磁浮技术（研发中），将质量量值传递给其它实物标准器。

复现和传递新千克的MiseenPratique

温度方面，现行的国际温标（ITS-90）建立在水三相点基准点上，（温度的SI单位开尔文）需通过水三相点容器来复现。但我们意识到容器中的蒸馏水含有同位素组分，会给插入其中进行校准的铂电阻温度计引入不确定度。为此我们的研究人员想要研制一种绝对温度传感器——除继续开展约翰逊噪声（热噪声）测温研究外，我还获悉我们的另一合作项目开发出了一种纳米尺度的温度传感器，大约只有人类头发丝的百分之一大小——目前传感器测得的数据可以与热噪声测温法相互验证，并且在他们看来，这种传感器更具生命力。我们认为，时间终将证明它能否成为（标准温度计的）发展方向之一。

左：灵敏标准光子温度计，右：标准铂电阻温度计

压力方面，目前我们正在开发一种超大范围的气压测量法——我们的想法是研制一种固定长度的光腔（通过测量单位体积内分子数n与温度值T，得到气压P）。这种方法可以扩大气压计的量程（1mPa~kPa）、提高测量灵敏度、加快测量速度，且测量不确定度比经典的水银气压计更小。

经典水银气压标准vs光子气压标准兼传感器

真空方面，我们计划采用冷原子技术来实现测量。举例来说，前些年获得诺贝尔物理学奖的激光囚禁原子技术，是需要在真空中进行的。如果被囚禁的原子与非真空中的粒子发生碰撞则会被击出原子云，使原子云缩小。所以如果反其道而行之，通过测量原子云的持续时间，就可以得到真空值。

基于动态膨胀室的真空标准vs冷原子真空标准兼传感器

对与NIST而言，（量子化的SI）可能意味着我们未来将主要聚焦于如何在NIST之外实现最佳测量……对于企业而言，则意味着他们可以得到“零链条”溯源性，可以更多地采用嵌入式的量子化测量仪器，而这些仪器既可以是标准，又可以是传感器。

量子化的SI意味着什么？

对于NIST而言：聚焦如何在NIST之外实现最佳测量、商业化挑战、新的计量前沿、坚持以测量技术为本、解决真正困难的问题、培训

对于产业界而言：“零链条”溯源性、嵌入式量子化SI仪器、集成的标准兼传感器

计量是测量的科学及其应用，涵盖所有理论和实践层面的测量，不论测量不确定度大小、不论应用领域。不光在物理学领域，我们认为在化学、生物以及材料科学领域的“量身定做”式测量（fit-for-purposemeasurements）也属于计量，这点我的许多物理学家朋友也同意。从不同领域中的测量出发，问题不尽相同。物理学角度的问题可以是Willie的质量是多少？——90千克或更重。而化学角度的问题不会是Willie作为一整块化学物质的质量是多少，而是在组成Willie的几乎无穷多种的化学物质中，某一种特定的化学物质含量是多少。问题可以是Willie的胆固醇含量是多少？——现在已经降低到每百毫升血液毫克以下了。生物学角度的提问则另有不同。大家都知道生物学研究的是跟生命有关的问题，我对此了解并不多，但我确定在对整个复杂的生命网络和过程的综合考量中，必然涉及对物质定量的过程，这必须依据计量的原则。有物理计量和化学计量提供测量的极限，生物学角度的问题可以是，哪一种特定的降胆固醇药物对于Willie最合适？它既最有效、副作用又最小？所以说，物理、化学领域嘉陵研究的问题完全不同，研究范围更广了。正如马丁·米尔顿（国际计量局局长）所言，化学计量、生物计量作为计量的组成部分，对于医疗卫生、食品安全和营养、气候评估、法庭科学等等有着重要意义。今天我将重点谈谈医疗卫生相关问题。

NIST为医疗卫生领域提供相关测量和标准可谓有着相当长的历史了。上世纪20年代起，NIST就与美国牙科协会（ADA）合作，研发了被现代牙科医学所广泛使用的各类产品，如聚合物牙齿填充物、牙钻、X光机等。70年代起NIST还开发了一系列药物实验用标准，比如电解质、代谢物标准物质（血清基体中的电解质和代谢物标准物质，新型蛋白、肽类或者DNA基体中的生物标志物）等。未来我们的工作方向主要聚焦在个性化医疗上，以及计量能为推动实施个性化医疗做些什么。

这其中包括对单个（蛋白类）诊断标志物的分析，比如心肌梗死的诊断标志物肌钙蛋白I、与心脏病风险紧密相关的C反应蛋白含量测量等等。任何测量这类标志物的传感器、测量技术等都需要通过标准物质来校准。类似的还有前列腺癌诊断标志物PSA等等，在这个领域我们还有许多工作要做。个性化医疗未来面临的挑战主要与基因靶向治疗有关，比如针对HER2基因过度表达的治疗等。在个性化医疗的支撑下，我们可以（通过患者个人的遗传型信息和基因表现型信息）将疾病分层，选择最合适的诊断药物和治疗药物，或者在人患病前对其采取有针对性的预防措施。我们将可以回答以下问题：为什么有的人会对药物产生不良反应而有的人则不会？我如何确定我接受了正确的治疗？我如何确定我接受的仿制药（generics）和有注册商标的价格昂贵的同类药物疗效相同？

在HER2基因导向疗法中，由于测量不准确导致约20%的诊断假阳性/假阴性

在（年均,例的）HER2基因诊断中，大约有20%例的测试是不准确的，测试结果为假阳性或假阴性。事实上针对HER2基因过度表达的抗乳腺癌药物Herceptin已经被研发出来了，它非常有效。但是由于HER2基因诊断不准确，每年,例测试者中可能有36,例健康人因为诊断为假阳性而接受了不必要的Herceptin治疗，不仅价格昂贵（每年5万美元），而且会带来很多副作用，比如增加患心脏病的风险等。而诊断为假阴性的患者则可能因为得不到合适的治疗病情加重甚至死亡。因此，提高HER2基因测量的准确性非常重要。我们为此开发出了用于HER2基因扩增测量的基因组DNA标准物质（SRM），这是其取得的实际效果（PPT显示：美国国家癌症研究所Frederick实验室对SRM在提高HER2基因复制数量测量准确性方面的作用进行了评估，并在新一期的theJournalofMolecularDiagnositics上发表文章，证明其能够作为一种质量保障工具，增强HER2扩增测量在临床上的信心。）

目前我们还为美国食药管理局（FDA）开发相关标准物质，帮助他们验证一系列基因疗法的实际效果。基因测量的不确定度一般不会是在1E-6这种很小的量级，它的测量不确定度在5%~10%水平，但这就是目前的医学诊断所需要的。我们目前在相关领域与中国开展了合作。这大概是2年前（年）NIST与中国计量科学研究院签署合作意向书的照片。当时习近平主席访美，并与奥巴马签署了高层合作协议，协议将NIST与NIM在温室气体测量和精准医疗方面合作列入了其中。

NIST与NIM在美国签署合作意向书

NIST还有一项重点工作是为生物制造提供计量支撑。生物类药物非常昂贵。这是因为生物类药物制造技术被开发出来以后，需要证明制造出来的药物结构是完全一样的，除此之外还要经历长达7到50年的试验以论证药物可用于人体。由于一般只有1/9的药物可以通过论证，成品药非常昂贵。另外由于大部分药物不能通过化学方法合成，必须利用生物反应器在活体细胞中制造。在药物生产厂商不公开其所用的活体细胞和制作方法的情况下，我们需要解决如何判断仿制药（generics）的结构和商品药物是否完全一样，如何判断引起人体形成免疫反应的效果是否一样等问题。我们还将研究不同生产细胞内部复杂的作用机理，试图科学地理解这些细胞是怎么工作的，如果他们的组分发生了变化，是否还会在反应器中得到我们预期的药物成分；其中有多少细胞在产生有效药物成分，又有多少细胞仅仅只是在更新换代。NIST在这些领域开展了相应的研究，同时与许多其他机构合作，比如参与了美国国家生物医药制造创新联合研究所（NIIMBL）的相关项目。该项目的主要任务是推动美国生物医药制造业创新，由德拉华州立大学牵头，每年约获得7千万美金的财政支持和大约1.3亿美金的企业赞助，可以说是非常大的项目了。（最后一句没听懂，欢迎留言补充）感谢您的







































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