日本化学、工程学家田中耕一

我们不难想象当年田中在经历了无数失败的实验后终于取得成功的狂喜，但他具有阿甘那样无比的韧性，依然毫不松懈地乘胜追击，又于1987年检测到分子量高达100872道尔顿的溶菌酶（lysozyme）七聚体（图7）。

图7：通过UFMP-甘油混合介质检测到的溶菌酶七聚体分子离子峰。来源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

回头来看，当初不慎在UFMP中加入甘油居然是一个历史转折点。此前的一年时间里田中几乎每天都要面对实验的阴性结果，只能以“我又排除了一种介质”来自我安慰。自从悟到UFMP-甘油混合物的妙用之后（图8），进一步优化实验参数的工作虽然还是枯燥和繁琐，但这时田中几乎每做一个实验就能有清晰可见的小进展，这使他体验到大学毕业当工程师以来前所未有的喜悦。当然整台质谱仪的研制成功也离不开田中的四位同事在其他环节上的通力合作，攻下超难度瓶颈的田中自然是该项目的头号功臣。

图8：甘油与UFMP的混合介质是田中耕一首次实现大分子激光去吸附离子化的技术关键。来源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

首先是岛津在1987年决定将新型质谱仪（图9和图12）正式上市，为了起到产品宣传作用，公司允许包括田中在内的五位研发小组成员通过5月份在京都举行的日本质谱学会年会首次对外宣布这一成果。他们的实验结果在会议期间只是略有反响，大多数日本学者对其实用性仍持怀疑态度。而且该会议的现场报告和海报摘要全是用日语发表，不可能引起西方学者的注意。接着是1987年9月第二届中日质谱学研讨会在日本宝冢市召开，由于这是一个国际性会议，大会的工作语言是英语，因此也就吸引了一些西方学者前来参加。与会的美国专家中有一位就是来自著名的霍普金斯大学医学院的科特教授 (Robert Cotter)，笔者本人在博士生一年级时曾有幸聆听过科特教授的质谱学课程，深感受益良多。

1987年时的科特教授就已是飞行时间质谱仪领域的权威学者，他在大会的报告中提出了一个看法，断言“电浆去吸附质谱仪（PDMS）的分子量检测范围要大于激光去吸附离子化质谱仪（LDI-MS）”。坐在听众席上的田中耕一心想科特还不知道自己在岛津的研究成果，于是在报告后邀请科特第二天来看他的海报。当科特看到田中的LDI-MS居然能检测到溶菌酶七聚体时实在难掩惊叹的神情。在征得田中的同意后，深信科学无国界的科特一回宾馆就将田中海报的摘要、离子化方法的细节和其中关键的几张质谱影印件通过传真发往欧美几家主要的质谱学实验室。事后证明，科特教授的这一热心宣传为默默无闻的田中在欧美确立了其LDI离子化新方法的原创性，也为这位不计较名利的后辈学者无意中提供了“贵人之助”。

田中从小热衷于电子技术，孩提时代他常以自己装配收音机为乐。选择电子工程为专业既满足了个人兴趣爱好，又符合日本企业社会强调实用技术的就业倾向。他刚进岛津时以为可以加入自己向往的医疗仪器开发项目，却被意外地分配到成立没多久的分析仪器开发小组。小组的成员是几个二十多岁的年轻人，而田中又是其中年纪最小的一个。他们最初的项目是想完善一种可探测半导体金属表面结构的精密激光仪，但经测试发现该仪器的性能没能大幅赶超已占有市场的德国同类产品，因而无法直接推向市场。朝气蓬勃的小组成员们不愿轻言放弃，决定另辟蹊径，转而尝试该激光仪器的另一种可能用途——生物分子的质谱分析。从1984年开始，小组成员对这个新项目重新明确了一下分工，由田中负责研究上游的生化样品制备和离子化方法，其他几位同事则分别负责质荷比分析器、离子监测器以及质谱数据系统。

正所谓时势造英雄。在分析化学领域的“百晓生兵器谱”上，质谱仪（mass spectrometer，MS）因其无以伦比的灵敏度而从1970年代开始逐渐稳居榜首。到了1980年代，当时先进的质谱仪已能轻松地检测分析浓度低到10-15摩尔（femtomolar）数量级的有机小分子化合物（分子量在1000道尔顿以下），但是生物大分子的检测仍是公认的超级难题。当时的化学权威们普遍认为，像蛋白质一类的生物高分子（分子量在10000道尔顿以上）是不可能从样品中被离子化而又不发生裂解地进入质谱分析所必需的气相。而田中当年的化学知识非常有限，根本不了解这些权威学者的悲观论调。在当时，田中通过文献了解到该研究领域内的一批欧美学者已把目光集中于“快速致热引发分子去吸附”的离子化方法。他们的想法是，被加温后的大分子虽然增加了蒸发进入气相而被离子化的可能，但同时也因稳定性下降而容易发生裂解，因此成功的关键在于能否在非常短的时间内让液相内的大分子达到高温。激光脉冲通常能在短到纳秒或微秒的时段内产生很高的能量，这种加热方式显然是一个非常诱人的选择（图1），但难点就在于能否找到一种吸收介质（matrix），将光能高效转换为热能再转移到包埋其内的大分子样品溶液中。

图1：真空中激光快速致热引发的去吸附可能使大分子从液相蒸发进入气相，并通过飞行时间质谱仪(TOF-MS)检测到完整的分子离子峰。来源：https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2002.pdf

田中运用UFMP为介质取得了一个阶段性成果，他成功地提升了有机高分子的质谱检测范围，例如聚乙烯二醇（PEG）系列混合物单独被激光照射离子化后在质谱上只能看到1000道尔顿以下的多聚体，并且不同分子量的离子峰间分辨率较差。而PEG与UFMP介质混合后的激光照射质谱能够清晰地检测到2000道尔顿系列，同时200、400、600、1000、2000系列的峰间分辨率全面升高（图2），实验结果令人鼓舞。可惜UFMP介质用于分子量上万的生物高分子的离子化仍然收效甚微。

图2：超细金属粉末(UFMP)全面提升了激光照射下聚乙烯二醇(PEG)飞行时间质谱的分辨率。来源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。