丁傳凡：把質譜做成家家戶戶都能擁有

　　就像發動機之于汽車，由復旦大學化學系教授丁傳凡及其團隊研發的四極離子阱關鍵技術和核心部件，構成了一臺質譜儀的“中心”，無論其他組件如何更改，此“中心”最終決定離子阱質譜儀的性能。

　　在即將舉行的第18屆中國國際工業博覽會上，丁傳凡團隊將展出包括印刷線路板（PCB）離子阱、柵網電極離子阱、PCB陣列離子阱分析器在內的核心技術成果。該成果已于2015年7月11日通過技術鑒定并獲得2015年度的中國儀器儀表學會科學技術獎一等獎。

　　作為現代科學儀器的一種，質譜儀主要用于檢測樣本中的化學成分種類和含量。如同對學生進行科目考試，得到對應學科成績，便知道該學生有學習哪門科目的潛質、哪門科目成績處于中等水平。質量分析器是質譜儀的重要部分，其作用相當于考試過程；而離子阱則是質量分析器的一種，兩者的關系就像線上考試之于考試。丁傳凡團隊的研發成果，即打造離子阱的核心技術。

　　丁傳凡團隊創新研發的多項核心技術，不僅提高了離子阱的工作性能，還可以最大程度降低制作離子阱的成本，為實現質譜儀全國產化提供支持。這些技術擁有自主知識產權，已獲得數項包括美國，歐洲，日本和中國的ZL保護。

　　“質譜儀器荷技術擁有非常大的市場，各行各業都可以嘗試質譜思維。”目前，質譜的運用已涉及到食品安全，航天航空、科學研究、環境監測與精準醫療等領域，并成放射狀向各領域擴散。

　　厚積薄發的智慧：用更便宜的材料研發更精致的儀器

　　作為質量分析器的一種，離子阱是通過電磁場作用，將離子限定在有限空間內，即“阱”內。離子在電場或磁場中運動，由于質量、大小、種類的不同，離子的運動軌道也有所差異，而此差異可以通過物理方程表達式呈現出來。離子阱將被電離后的離子“收入囊中”，進行質量分析，通過測算的質量能夠推導出此前檢測的樣品中含有哪些成分、每種成分的含量是多少等。

　　在此之前，離子阱內的電場分布是通過雙曲面電極實現的，其形狀類似于“掐腰”的圓柱筒。電極產生的電場作用于離子，使不同質量的離子“描繪”出相應的運動軌跡。由于中國在質譜領域起步較晚，無法制作出高精度的雙曲面電極的離子阱，只能花費巨額經費去國外購買，甚至在初期，西方發達國家以高技術產品為借口拒絕對中國售賣，極大影響了國內科學研究和實際應用。于是，丁傳凡團隊想到用簡單，便宜的印刷線路板代替雙曲面，以簡化制造工藝荷降低成本。

　　如同臺式電腦內的主機板，印刷線路板（簡稱PCB）以平面的電極取代雙曲面電極產生高精度的電場分布，就像在白紙上繪制藏寶圖，每個部分由線路相連接。以印刷線路板制作電極的印刷線路板離子阱分析器（簡稱PCB離子阱），相比于以往以十萬元人民幣進口的雙曲面電極離子阱，價格更便宜、加工更簡單、性能更好。

　　在此基礎上，丁傳凡團隊還發明了印刷線路板陣列離子阱分析器（簡稱PCB陣列離子阱）。PCB陣列離子阱與普通PCB離子阱同屬于質量分析器類別，兩者結構復雜性相當，在效用上前者是許多個后者的結合體，類似于排炮與單筒炮。后者一次只能對一個樣本內的離子進行質量分析，但前者可以檢測10個、甚至100個樣本，且擁有更快速的分析速度與更顯著的靈敏度，成本也并未顯著增加。

　　除離子阱外，質量分析器還有磁分析器、飛行時間分析器、四極桿分析器、傅里葉離子回旋共振等種類。相比于其他種類，離子阱具有選擇性存儲和逐出功能，即選擇離子并穩定存儲在阱內，或者將離子逐出阱外。

　　位于離子阱電極平面的小孔，是選擇儲存或逐出的離子的“必經之路”。但這些小孔對于電極中電場的分布會造成影響，以致影響離子阱的性能。丁傳凡團隊由此發明了鋪在上面的柵網電極，消除對電場分布的影響，提高離子透過率與質量分辨能力，并降低了對離子阱離子狹縫口的加工精度要求。丁傳凡團隊獲得了該發明的知識產權。

　　目標掌握核心技術：“希望將質譜儀做成家家戶戶都能擁有的東西”

　　丁傳凡認為，質譜技術的市場需求將會越來越大。

　　比如，質譜儀可用于分析大米成分，用餐者并不知道大米中的重金屬含量是否超標，而質譜儀則能夠通過對大米的取樣分析，得知其中含有多少重金屬元素，以及是否達到對人體有害的程度。同樣運用于生活的質譜儀能夠對蔬果上的農藥殘留進行測量。

　　近年來，精準醫學的概念盛行，質譜成像技術和疾病標志物分析能夠發揮作用。通過對人體器官拍攝化學照片，得知體內的生物、化學成分的區別。做腫瘤切除手術時，醫生會遇到無法徹底切除的情況，通過質譜成像檢測人體肌肉組織，能夠通過相應分子清晰得知腫瘤切除的邊界，提高手術成功率。質譜儀在醫學上的應用還處于起步階段，英國、美國、加拿大等國家已開始嘗試。

　　然而，對ZL保護的突破依舊是國內研究面臨的問題之一，質譜領域的知識產權絕大多數依舊被國外研究者掌握，完全掌握核心技術依舊是國內學者的目標。

　　2004年回國后，丁傳凡即在復旦大學開設質譜學理論和應用的課程至今，在中國高校中獨樹一幟。他認為，研究質譜對于跨學科知識的掌握要求很高。“只要有人類，就會有環境，健康、衣食住行等問題，而質譜儀能夠幫助我們了解這些。我們希望將質譜儀做成家家戶戶都能擁有的東西”。丁傳凡非常看好質譜儀的未來。