一次操作失误,让本科学历的公司普通职员摘得诺奖


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。



“普通员工”


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”。



意外之喜


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。



启示


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。


田中耕一发表的英文论文,来源:nobelprize.org


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。




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