在即將舉行的第18屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，丁傳凡團(tuán)隊(duì)將展出包括印刷線路板（PCB）離子阱、柵網(wǎng)電極離子阱、PCB陣列離子阱分析器在內(nèi)的核心技術(shù)成果。該成果已于2015年7月11日通過(guò)技術(shù)鑒定并獲得2015年度的中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

    作為現(xiàn)代科學(xué)儀器的一種，質(zhì)譜儀主要用于檢測(cè)樣本中的化學(xué)成分種類和含量。如同對(duì)學(xué)生進(jìn)行科目考試，得到對(duì)應(yīng)學(xué)科成績(jī)，便知道該學(xué)生有學(xué)習(xí)哪門科目的潛質(zhì)、哪門科目成績(jī)處于中等水平。質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀的重要部分，其作用相當(dāng)于考試過(guò)程；而離子阱則是質(zhì)量分析器的一種，兩者的關(guān)系就像線上考試之于考試。丁傳凡團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果，即打造離子阱的核心技術(shù)。

    丁傳凡團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)的多項(xiàng)核心技術(shù)，不僅提高了離子阱的工作性能，還可以*大程度降低制作離子阱的成本，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜儀全國(guó)產(chǎn)化提供支持。這些技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已獲得數(shù)項(xiàng)包括美國(guó)，歐洲，日本和中國(guó)的專利保護(hù)。

     “質(zhì)譜儀器荷技術(shù)擁有非常大的市場(chǎng)，各行各業(yè)都可以嘗試質(zhì)譜思維。”目前，質(zhì)譜的運(yùn)用已涉及到食品安全，航天航空、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域，并成放射狀向各領(lǐng)域擴(kuò)散。

    厚積薄發(fā)的智慧：用更便宜的材料研發(fā)更精致的儀器

    作為質(zhì)量分析器的一種，離子阱是通過(guò)電磁場(chǎng)作用，將離子限定在有限空間內(nèi)，即“阱”內(nèi)。離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由于質(zhì)量、大小、種類的不同，離子的運(yùn)動(dòng)軌道也有所差異，而此差異可以通過(guò)物理方程表達(dá)式呈現(xiàn)出來(lái)。離子阱將被電離后的離子“收入囊中”，進(jìn)行質(zhì)量分析，通過(guò)測(cè)算的質(zhì)量能夠推導(dǎo)出此前檢測(cè)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(nèi)的電場(chǎng)分布是通過(guò)雙曲面電極實(shí)現(xiàn)的，其形狀類似于“掐腰”的圓柱筒。電極產(chǎn)生的電場(chǎng)作用于離子，使不同質(zhì)量的離子“描繪”出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于中國(guó)在質(zhì)譜領(lǐng)域起步較晚，無(wú)法制作出高精度的雙曲面電極的離子阱，只能花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)去國(guó)外購(gòu)買，甚至在初期，西方發(fā)達(dá)國(guó)家以高技術(shù)產(chǎn)品為借口拒*中國(guó)售賣，極大影響了國(guó)內(nèi)科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用。于是，丁傳凡團(tuán)隊(duì)想到用簡(jiǎn)單，便宜的印刷線路板代替雙曲面，以簡(jiǎn)化制造工藝荷降低成本。

    如同臺(tái)式電腦內(nèi)的主機(jī)板，印刷線路板（簡(jiǎn)稱PCB）以平面的電極取代雙曲面電極產(chǎn)生高精度的電場(chǎng)分布，就像在白紙上繪制藏寶圖，每個(gè)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(jiǎn)稱PCB離子阱），相比于以往以十萬(wàn)元人民幣進(jìn)口的雙曲面電極離子阱，價(jià)格更便宜、加工更簡(jiǎn)單、性能更好。

    在此基礎(chǔ)上，丁傳凡團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了印刷線路板陣列離子阱分析器（簡(jiǎn)稱PCB陣列離子阱）。PCB陣列離子阱與普通PCB離子阱同屬于質(zhì)量分析器類別，兩者結(jié)構(gòu)復(fù)雜性相當(dāng)，在效用上前者是許多個(gè)后者的結(jié)合體，類似于排炮與單筒炮。后者一次只能對(duì)一個(gè)樣本內(nèi)的離子進(jìn)行質(zhì)量分析，但前者可以檢測(cè)10個(gè)、甚至100個(gè)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(zhì)量分析器還有磁分析器、飛行時(shí)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(chǔ)和逐出功能，即選擇離子并穩(wěn)定存儲(chǔ)在阱內(nèi)，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(chǔ)存或逐出的離子的“必經(jīng)之路”。但這些小孔對(duì)于電極中電場(chǎng)的分布會(huì)造成影響，以致影響離子阱的性能。丁傳凡團(tuán)隊(duì)由此發(fā)明了鋪在上面的柵網(wǎng)電極，消除對(duì)電場(chǎng)分布的影響，提高離子透過(guò)率與質(zhì)量分辨能力，并降低了對(duì)離子阱離子狹縫口的加工精度要求。丁傳凡團(tuán)隊(duì)獲得了該發(fā)明的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

    目標(biāo)掌握核心技術(shù)：“希望將質(zhì)譜儀做成家家戶戶都能擁有的東西”

    丁傳凡認(rèn)為，質(zhì)譜技術(shù)的市場(chǎng)需求將會(huì)越來(lái)越大。

    比如，質(zhì)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(biāo)，而質(zhì)譜儀則能夠通過(guò)對(duì)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(dá)到對(duì)人體有害的程度。同樣運(yùn)用于生活的質(zhì)譜儀能夠?qū)κ吖�上的農(nóng)藥殘留進(jìn)行測(cè)量。

    近年來(lái)，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的概念盛行，質(zhì)譜成像技術(shù)和疾病標(biāo)志物分析能夠發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)人體器官拍攝化學(xué)照片，得知體內(nèi)的生物、化學(xué)成分的區(qū)別。做腫瘤切除手術(shù)時(shí)，醫(yī)生會(huì)遇到無(wú)法徹底切除的情況，通過(guò)質(zhì)譜成像檢測(cè)人體肌肉組織，能夠通過(guò)相應(yīng)分子清晰得知腫瘤切除的邊界，提高手術(shù)成功率。質(zhì)譜儀在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用還處于起步階段，英國(guó)、美國(guó)、加拿大等國(guó)家已開始嘗試。

    然而，對(duì)專利保護(hù)的突破依舊是國(guó)內(nèi)研究面臨的問題之一，質(zhì)譜領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)絕大多數(shù)依舊被國(guó)外研究者掌握，完全掌握核心技術(shù)依舊是國(guó)內(nèi)學(xué)者的目標(biāo)。

    2004年回國(guó)后，丁傳凡即在復(fù)旦大學(xué)開設(shè)質(zhì)譜學(xué)理論和應(yīng)用的課程至今，在中國(guó)高校中獨(dú)樹一幟。他認(rèn)為，研究質(zhì)譜對(duì)于跨學(xué)科知識(shí)的掌握要求很高。“只要有人類，就會(huì)有環(huán)境，健康、衣食住行等問題，而質(zhì)譜儀能夠幫助我們了解這些。我們希望將質(zhì)譜儀做成家家戶戶都能擁有的東西”。丁傳凡非常看好質(zhì)譜儀的未來(lái)。