丁传凡

就像发动机之于汽车，由复旦大学化学系教授丁传凡及其团队研发的四极离子阱关键技术和核心部件，构成了一台质谱仪的“中心”，无论其他组件如何更改，此“中心”最终决定离子阱质谱仪的性能。　　在即将举行的第18届中国国际工业博览会上，丁传凡团队将展出包括印刷线路板(PCB)离子阱、栅网电极离子阱、PCB阵列离子阱分析器在内的核心技术成果。该成果已于2015年7月11日通过技术鉴定并获得2015年度的中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。　　作为现代科学仪器的一种，质谱仪主要用于检测样本中的化学成分种类和含量。如同对学生进行科目考试，得到对应学科成绩，便知道该学生有学习哪门科目的潜质、哪门科目成绩处于中等水平。质量分析器是质谱仪的重要部分，其作用相当于考试过程 而离子阱则是质量分析器的一种，两者的关系就像线上考试之于考试。丁传凡团队的研发成果，即打造离子阱的核心技术。　　丁传凡团队创新研发的多项核心技术，不仅提高了离子阱的工作性能，还可以最大程度降低制作离子阱的成本，为实现质谱仪全国产化提供支持。这些技术拥有自主知识产权，已获得数项包括美国，欧洲，日本和中国的专利保护。　　“质谱仪器荷技术拥有非常大的市场，各行各业都可以尝试质谱思维。”目前，质谱的运用已涉及到食品安全，航天航空、科学研究、环境监测与精准医疗等领域，并成放射状向各领域扩散。　　厚积薄发的智慧：用更便宜的材料研发更精致的仪器　　作为质量分析器的一种，离子阱是通过电磁场作用，将离子限定在有限空间内，即“阱”内。离子在电场或磁场中运动，由于质量、大小、种类的不同，离子的运动轨道也有所差异，而此差异可以通过物理方程表达式呈现出来。离子阱将被电离后的离子“收入囊中”，进行质量分析，通过测算的质量能够推导出此前检测的样品中含有哪些成分、每种成分的含量是多少等。　　在此之前，离子阱内的电场分布是通过双曲面电极实现的，其形状类似于“掐腰”的圆柱筒。电极产生的电场作用于离子，使不同质量的离子“描绘”出相应的运动轨迹。由于中国在质谱领域起步较晚，无法制作出高精度的双曲面电极的离子阱，只能花费巨额经费去国外购买，甚至在初期，西方发达国家以高技术产品为借口拒绝对中国售卖，极大影响了国内科学研究和实际应用。于是，丁传凡团队想到用简单，便宜的印刷线路板代替双曲面，以简化制造工艺荷降低成本。　　如同台式电脑内的主机板，印刷线路板(简称PCB)以平面的电极取代双曲面电极产生高精度的电场分布，就像在白纸上绘制藏宝图，每个部分由线路相连接。以印刷线路板制作电极的印刷线路板离子阱分析器(简称PCB离子阱)，相比于以往以十万元人民币进口的双曲面电极离子阱，价格更便宜、加工更简单、性能更好。　　在此基础上，丁传凡团队还发明了印刷线路板阵列离子阱分析器(简称PCB阵列离子阱)。PCB阵列离子阱与普通PCB离子阱同属于质量分析器类别，两者结构复杂性相当，在效用上前者是许多个后者的结合体，类似于排炮与单筒炮。后者一次只能对一个样本内的离子进行质量分析，但前者可以检测10个、甚至100个样本，且拥有更快速的分析速度与更显著的灵敏度，成本也并未显著增加。　　除离子阱外，质量分析器还有磁分析器、飞行时间分析器、四极杆分析器、傅里叶离子回旋共振等种类。相比于其他种类，离子阱具有选择性存储和逐出功能，即选择离子并稳定存储在阱内，或者将离子逐出阱外。　　位于离子阱电极平面的小孔，是选择储存或逐出的离子的“必经之路”。但这些小孔对于电极中电场的分布会造成影响，以致影响离子阱的性能。丁传凡团队由此发明了铺在上面的栅网电极，消除对电场分布的影响，提高离子透过率与质量分辨能力，并降低了对离子阱离子狭缝口的加工精度要求。丁传凡团队获得了该发明的知识产权。　　目标掌握核心技术：“希望将质谱仪做成家家户户都能拥有的东西”　　丁传凡认为，质谱技术的市场需求将会越来越大。　　比如，质谱仪可用于分析大米成分，用餐者并不知道大米中的重金属含量是否超标，而质谱仪则能够通过对大米的取样分析，得知其中含有多少重金属元素，以及是否达到对人体有害的程度。同样运用于生活的质谱仪能够对蔬果上的农药残留进行测量。　　近年来，精准医学的概念盛行，质谱成像技术和疾病标志物分析能够发挥作用。通过对人体器官拍摄化学照片，得知体内的生物、化学成分的区别。做肿瘤切除手术时，医生会遇到无法彻底切除的情况，通过质谱成像检测人体肌肉组织，能够通过相应分子清晰得知肿瘤切除的边界，提高手术成功率。质谱仪在医学上的应用还处于起步阶段，英国、美国、加拿大等国家已开始尝试。　　然而，对专利保护的突破依旧是国内研究面临的问题之一，质谱领域的知识产权绝大多数依旧被国外研究者掌握，完全掌握核心技术依旧是国内学者的目标。　　2004年回国后，丁传凡即在复旦大学开设质谱学理论和应用的课程至今，在中国高校中独树一帜。他认为，研究质谱对于跨学科知识的掌握要求很高。“只要有人类，就会有环境，健康、衣食住行等问题，而质谱仪能够帮助我们了解这些。我们希望将质谱仪做成家家户户都能拥有的东西”。丁传凡非常看好质谱仪的未来。

复旦大学丁传凡教授 　　丁传凡教授在报告中提到，从潜艇到宇宙飞船，质谱仪有广泛的用途 并解释了为什要研究离子阱质谱：一是离子阱质谱体积小，造价便宜，使用起来比较方便，其次是我们用的质谱仪器几乎都是进口的，主要原因是四极杆和离子阱的加工精度要求非常高。是否还有另外一种简单一点的方法，能够使四极杆质谱、离子阱质谱加工制造相对容易一些?传统理论认为四极杆质谱和四极离子阱质谱的四个电极必须满足一个双曲面方程才能够稳定的工作。另一方面，电极的形状决定了电场的分布，通过调节电极一定会导致离子阱性能的改善。丁传凡教授在实验中研究了非双曲面四极杆质谱——印刷线路板平面电极。 　　该离子阱是由一组印刷线路板合围而成，电路板包含绝缘体或半导体的基底。在这些基底的内、外两表面上附有电导体材料构，基底的内面上被加工成所需形状，以便可以产生用来传输、存储和分析离子的空间中产生所需要的电场分布。实验证明该离子阱的测定质量数可以达到4000以上，在实验中质量分辩能力达2800左右，可以满足大多数的有机做无机质谱方面的要求。同样可以做MS/MS分析，可以实现通常离子阱的大部分功能。实验证明，用印刷线路板做离子阱质量分析器可以用到通常的GC-MS或者LC-MS。 　　丁传凡教授还研究了一维和两维离子阱阵列，用比较简单的电极生产多个质量分析器，用于多样品同时分析，理论和实验证明可以进行质量分析。

经过十多年不断发展，我国实现了一批科学仪器的产业化，涌现出了一批有一定影响力的仪器企业，奠定了一定的产业基础。不过，我们也要看到，与其他强国相比，中国科学仪器产业实力还存在一定差距。如，进出口逆差近年一直在100亿美元以上，某些品类国产占比不高、甚至全部依赖进口。科学仪器研制、成果转化、产业化不是容易的事儿。2023年5月18日举办的“中国科学仪器产业化高峰论坛”所邀请的5位嘉宾以及主持人，都是有成果成功转化或产业化经验的人士，他们都是从做技术开始，有的是成功开发出了产品并实现了产业化，有的参与创业或者是直接创办企业，有的企业处于起步阶段，有的企业已经上市，甚至是达到了几十个亿的营收规模。5位具有代表性嘉宾与同样具有丰富产业化经验的主持人一起，共同探讨科学仪器产业化成功之路。经过检验的经验或观点的分享，将给行业以及年青一代以启发。浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室主任丁传凡作为本次产业化高峰论坛的嘉宾，就产业化面临哪些难题、如何解决，高效产业化中人和团队如何发挥作用等问题发表了自己的观点。浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室主任丁传凡“实现科技成果转让，一是有先进性，二是要有应用价值”议题一：请嘉宾分享一下自己最成功或最具特点的产业化项目？丁传凡：我觉得我技术转让比较成功的一个项目，就是印刷线路板离子阱质量分析器的产业化。印刷线路板离子阱质量分析器的加工难度和生产成本都远远低于其他现有的质量分析器。这个成果当时是转让给日本岛津公司，当时的外汇汇率下转让费大概在1000万人民币左右，目前已经有产业化，据说这个仪器大概销售到100台左右。我觉得要实现科技成果的转让必须具有两个特点：第一个是成果要具有先进性，第二个特点是要具有应用价值，公司把成果转化以后，能够产生它的产值。“科研工作跟产业化需求不能脱节，成果转让不能是一锤子买卖”议题二：产业化面临哪些难题？如何解决？产业化进程中的不同阶段面临着不同的难题。0到1（想法到样机）可能是核心技术、核心竞争力怎么形成，是企业活下来的根本；1到10、100、1000（样机到产品、产品到规模化生产、大规模应用），产品能不能批量化、企业能不能做大，遇到的问题可能是产业的环境或者生态是什么样的，上下游分工、合作，关键元器件的保证、利润的获取等等。 丁传凡：我不是做企业的，也基本上一直在高校里面工作，所以，我想谈一下科技成果转化过程中有哪些问题。实际上我的专利成果转让比例是很低的，目前为止我大概有专利150项，真正实现转化的10项都不到。我一直在考虑问题出在什么地方？我觉得第一个问题、也是关键的问题，是科研工作跟产业化需求脱节。比如，平常我在实验室从事研究工作，我很少知道或者很少考虑到产业化有什么需求，尤其是短期的、迫切的需求，以及企业长期发展过程中它有哪些需求。第二个是制度问题，即转让的方式。我了解到在美国或者加拿大，一个专利的转让费，第一笔费用是很低的，之后会跟产业化为产品的产值进行挂钩。这么做的好处是什么？成果第一次转让的时候，企业的成本比较低，风险比较小，即使把成果转让出去以后没有变成产品，它的风险不大。长期来讲，从技术所有方和产业化，都希望把这个成果或产品做大，大家都是在一条船上，所以双方都有积极性要把成果变成一个产业、变成一个产品。中国现在转让方式，大多数都是一锤子买卖。一个专利10万转让出去，后期产生的几个亿的产值和你没有关系了。所以，现在我更多会考虑怎么在研发阶段和企业进行紧密的结合，科技成果转化以后，怎么再跟企业紧密的结合把它变成一个产品。还有一个问题，因为我本人主要研究质谱一些关键部件的，尤其是侧重于离子阱质谱和四极杆质谱，以及一些离子源等。关键部件的转化，首先它是个长期的过程；其次，更需要企业和高校研究机构紧密结合，所以从研究机构来讲，我是非常希望和产业界从开始研发阶段就开始结合，而不是说我有个专利产品以后，再看看企业是要还是不要。“将在谋不在勇，兵在精不在多”“知人善任”议题三：高效产业化中，人和团队如何发挥作用？无论是成果转化还是产业化，人都是成功与否的关键。所以本次高峰论坛专门设置了“人”的议题。人的因素实际又分两方面，一是“掌门人”的思路和考量，如企业怎么发展？第二个就是核心人的选和用，两个都很重要。丁传凡：我跟其他嘉宾不太一样，我主要在学校里面，团队没那么大，因此管理起来要相对简单一点。但是道理是一样，所以总体来讲，我觉得两句话可以概括，第一个是将在谋不在勇，兵在精不在多；第二个要知人善任，把对的人放到对的岗位上去。作为团队的负责人来讲，怎么把握方向、怎么选人用人是最重要的。比如说我这个团队有做整机仪器的、有做核心部件研发的、还有做应用的，做整机的这个人要求他综合能力要稍微强一点，做核心部件研发的创新性要强一点，对于团队里的人，我更喜欢那些具有发散性思维的，就是想别人之不敢想、做别人之不敢做，这样成果的创新性才比较强。附录：丁传凡中国科学技术大学学士，硕士；复旦大学博士；1990年起，先后担任日本东京大学反应化学系访问学者、美国纽约州卫生局健康研究中心研究员、美国太平洋西北国家实验室博士后、加拿大不列颠哥伦比亚大学研究员，客座教授等。2004年3月-2018年11月，复旦大学化学系 教授, 博士生导师；2018年12月-现在，宁波大学材料科学与化学工程学院 教授, 博士生导师，特聘院长。2020-现在，浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室 主任。主要研究方向为精密科学仪器及其电子控制技术，高精密质量分析器的原理和方法等研究。在国际上率先开展了高阶电场对四极质量分析器性能的影响，线形离子阱数字电路控制和数据采集技术研究，并据此发明了多种新型的四极质谱和四极离子阱质谱，以及新型质谱电子控制与操作技术等。以第一或通讯作者在《Nature Communications》,《Physics Review Letters》, 《Analytical Chemistry》, 《Journal of Mass Spectrometry》,《Journal of American Society for Mass Spectrometry》等国内外一流学术杂志上发表SCI/EI论文130余篇。主持国家自然科学基金重大科学仪器专项项目1项、仪器专项项目1项（重点项目）、面上项目2项；科技部重大仪器专项项目子课题3项、科技支撑计划项目2项，国家科技攻关重大项目子课题1项。以主要完成人获2010、2017年度国家科技进步二等奖2项，省部级一等奖2项、二等奖1项等。1、2009年上海市科技发明选拔赛 银奖2、2010年国家质量监督检验检验总局“科技兴检奖” 一等奖3、2011年国家科技进步奖 二等奖4、2015年中国仪器仪表学会科学技术奖 一等奖5、2016年中国国际工业博览会 创新银奖6、2017年国家科技进步奖 二等奖7、2018年上海市科技进步 二等奖8、2020 年中国仪器仪表学会科学技术进步奖 一等奖