互动科普

撰文 | 张华

2002年10月9日下午五点多，日本岛津制作所的职员田中耕一正准备下班，办公室的电话响了起来。田中耕一接起电话，是一个外国人用英语讲话的声音：“祝贺你，田中先生，您获得了本年度的诺贝尔化学奖。”

田中耕一的英语听力不是太好，听得迷迷糊糊的。所以当他稀里糊涂地听到了诺贝尔、恭喜等英语单词后，他觉得这肯定是一个恶作剧，他不失礼貌地答道“谢谢”，随后挂断了电话。

但是，紧接着办公室里至少有几十台电话同时响了起来，一时间整个办公室好像沸腾了，各路媒体的采访邀约和同事朋友们的恭贺道喜让田中感觉如梦如幻。田中耕一这才知道，他在 1985 年发明的 “软激光解吸附离子化法”获得了诺贝尔化学奖。

要讲述田中耕一的诺贝尔奖，不能不提到田中的工作单位——岛津制作所。岛津是一家民营企业，总部位于京都。这是一家国际知名的分析仪器研发与生产商，其主要研制销售质谱与光谱仪器。这些仪器属于分析化学领域，在食品安全、环境保护、地质探矿、生物医药等各个领域有广泛的应用。

1983年4月，24岁的田中耕一从东北大学电子工学专业本科毕业后，找到了人生中的第一份工作——在岛津制作所担任研发工程师。岛津也成了他工作了一辈子的单位。在一开始，田中看起来是一个极普通的员工——他仅仅是本科学历，没有博士光环。所以，田中的人生是很普通的，这样普通的人生使得他找女朋友都比较困难——后来依靠相亲才找到另一半。田中的生父早逝，田中是由养父养大的，这也使得田中性格内向，很少有意气风发的时候。

田中参加第二届中日质谱会议，来源：nobelprize.org

就这样，到了1985年2月，田中的命运突然发生了改变。由于他是电气工程师出身，缺乏专业的化学知识，所以田中耕一在研发质谱仪时，一不小心犯了一个“很不专业”的错误。但这个错误，却意外地为他赢得了诺贝尔奖。

田中耕一的工作主要是寻找更强大的质谱仪分析方法。

质谱仪是由英国物理学家约瑟夫·汤姆森（Joseph Thompson）发明的。汤姆森发现电子时，使用的仪器就是质谱仪。只不过那时是在1900年左右，数字电子与芯片都还不存在，所以汤姆森当时用的是磁场。依靠磁场对带电粒子的洛伦兹力作用，可以得到不同粒子的电荷与质量的比值，然后就可以测定原子的质量。这种方法叫做“磁质谱”，后来用到原子弹的研制——铀235与铀238的甄别上。

但是，磁质谱有一个缺点。一般来说，磁质谱仪的尺寸很大，占地面积相当于三室一厅——因为磁场很弱，带电粒子的轨道半径很大，磁质谱的体积必须很大。

为了缩小质谱仪的尺寸，后来德国的沃尔夫冈·保罗（Wolfgang Paul）从荡秋千中得到启发，创造性地发明了“四极质量仪”，这开创了用射频电场来做质量分析的先河（当然控制射频电场需要用到复杂的电路与芯片）。还有其他人也发明了飞行时间质谱，利用离子的飞行时间来做质谱仪。

因为所有的质谱仪本质上利用的都是电磁力，而电磁力只能对带电粒子才有影响。所以，这些质谱仪都有一个前置的关键问题：要让被分析的样品分子（原子）带上电——这个带上电的过程，就是“离子化”。

而田中耕一是当时岛津质谱仪研发团队中的一员，他的工作职责主要集中在“离子化过程”。

1985年，当时已经是生命科学的黄金时代，业界对测定蛋白质等生物大分子的质量有很大的需求。

但是，问题在于如何让这些生物大分子离子化？这里面有一个两难困境：既要让生物大分子带电，又不能破坏它的结构（结构碎片不能太多）。所以，那些“硬电离”的方法都不行——比如用电子直接去轰击生物大分子样品，容易把大分子的分子键全部打断了，分子结构完全破坏。从整个质谱图上来看，后果就是碎片峰太多，导致整个分子的质量不好判断。于是当时的人们渴望寻找一些“软电离”方法。

当时已有的软电离方法是用激光来照射样品。因为激光可以发生光电效应，把样品中的电子打出来，从而实现一些小生物分子的离子化。但激光的冲击力太强，容易破坏分子结构。因此，需要在生物大分子外面混合一种“缓冲剂”，才能让生物大分子离子化。不过，当时人们并没有找到合适的缓冲剂。

田中耕一就是在这个背景下，对生物大分子样品进行离子化研究的。

有一天，他在尝试测定钴胺素（也就是维生素B12）时，一不留神把丙三醇（甘油）当成了丙酮，作为基质与钴金属超细粉末、钴胺素混合在一起。照理来说，这份弄错了的混合物应该当成化学废液处理，但因为钴金属超细粉末很贵，田中耕一觉得既然已经混在一起了，直接扔了也太浪费了，不如做一次质谱检测吧。

于是，田中耕一把这个混合物也放进质谱仪进行测量。田中用激光照射混杂了甘油的钴胺素样品。还没等甘油变干，他就去观测了质谱图，结果看到了生物大分子钴胺素完整的质谱图。这是一个神奇的事情——因为这种生物大分子的质量以前从来没有被测出来过。

试验结果表明，那个苦苦寻觅的缓冲剂，其实就是不小心倒错了的甘油。田中耕一又重复了几遍实验，都可以看到这样的谱峰出现。当时被认为不可测定的生物大分子样品，竟然就这么阴差阳错地被质谱仪检出了。为了保险起见，田中在做重复实验的时候，让甘油变干后再去检测钴胺素，却无法测量出钴胺素分子质量。这说明甘油确实起到了重要作用。

后来的日子里，沿着这一方向继续研究，田中耕一与同事可以在不破坏分子结构的情况下，将分子量为35000的蛋白质分子离子化，完成了质谱检测。

田中耕一这个测定方法后来被称为软激光解吸附离子化法。有了这种方法，此前只能测定小分子的质谱分析法也能够测量生物大分子的质量了。这对生命科学的发展有巨大的推动作用，其科学意义十分巨大。

田中耕一虽然阴差阳错做出了实验，但正如他在诺贝尔奖讲演中提到的那样，因为岛津是一个公司，其实也没有发表学术论文的硬性指标，所以如果他没有发表论文，他也不会得到诺贝尔奖。

1987年，田中耕一参加了中日质谱会议，会议上有一个质谱专家告诉他应该发表他的发现。

于是在1988年，田中耕一在美国的《质谱快报》上，发表了他的这个发现，这个论文成为了他获得诺贝尔化学奖的关键论文。

2002年十二月，在瑞典的斯德哥尔摩，田中在诺贝尔奖演讲中说：“虽然我得了诺贝尔化学奖，但我从来不觉得自己是一个化学家，因为我没有在大学的化学专业学习过，我的化学知识停留在高中水平。”

所以，“只有高中化学水平”的田中耕一得诺贝尔化学奖是一个奇迹。对于个人来说，田中的成功对默默无闻的工薪阶层来说是一个激励。但从国家层面来说，无论是日本还是中国，我们可以看到，民营企业其实也是科技创新的主体，不但大学与研究所的工作人员能得诺贝尔奖，企业职员也是可以得诺贝尔奖的。也许在未来某一天，在中国的民营企业里也能走出诺贝尔奖得主。