【人物】 文史少年的理科逐夢之旅:陳仲瑄埋首數十年 國產質譜儀研發終成真

2021/08/22
【人物】 文史少年的理科逐夢之旅:陳仲瑄埋首數十年 國產質譜儀研發終成真
2020年末,中研院展出臺灣高階儀器研發計畫成果,其中陳仲瑄院士開發出的可攜式質譜儀,宣告臺灣高階儀器進入國產自主研發製造的新紀元,滿足未來各領域即時、即地檢測的需求。

People|人物 Vol. 83 2021-03

文史少年的理科逐夢之旅
陳仲瑄埋首數十年 國產質譜儀研發終成真

去年(2020)11月5日,中研院展出臺灣高階儀器研發計畫成果,其中,由陳仲瑄院士開發出的全新可攜式質譜儀,無疑宣告了臺灣高階儀器進入國產自主研發製造的新紀元。陳仲瑄埋首研發質譜儀數十年有成,滿足未來各領域即時、即地檢測的需求。不過,享譽美國科學界、將質譜儀技術帶入生命科學分析方法的陳仲瑄,已過70歲的一生,走的是「文史青年」的理科築夢之旅。


撰文/吳培安  攝影/巫芝岳

據估計,2020年全球尖端分析儀器市場可達2,193億美元,其中生醫分析儀器市場可達580億美元。無論是半導體或是生技醫藥產業的發展,都必須有精良的高階儀器來支持研發能量,在國際局勢和疫情衝擊下,其重要性更是不言而喻。只是,全球高階儀器廠商幾乎都掌握在外商國際大廠手中。

體認到臺灣在高階儀器自主研發的需求,中央研究院廖俊智上任院長後,便爭取前瞻基礎建設撥款8.8億元支持,自2017年起,啟動3年的「臺灣高階儀器研發計畫」,並催生出10組團隊成果,其中2組就來自埋首質譜儀技術研發數十年的陳仲瑄之手。

陳仲瑄以創新質譜儀技術研發享譽國際學界,獲1995年美國物理學會會士、2007年國際傑出科學家、2009年美國科學促進會(AAAS)會士,以及2010年中央研究院院士資格肯定。

陳仲瑄專注於全新種類的質譜儀及量測儀器的開發,以及進行輕量化改良為可攜式裝置,同時也將質譜儀技術帶入生命科學的分析方法。不過,鮮為人知的是,年過70歲的陳仲瑄除了科學,他自青青學子開始,其實是個不折不扣的「文史青年」。

走入理科殿堂的文史青年

出生於1948年的陳仲瑄,年少時期,正處於海峽兩岸人文思想與科學救國風潮最蓬勃的年代,當時無論胡適的思想哲學、李敖的狂放針砭、甚至瓊瑤的楚夢雲雨,他都能如數家珍,「我對文學和歷史非常著迷,甚至會翹課去看電影。」他說。

陳仲瑄笑著回憶道,「自己本來最想念的是文史科系,是在家人期待下,才糊里糊塗的踏入科學研究。」

「那時我看了很多書和文章,也讀到德先生、賽先生的科學救國理論,因此,覺得念科學也沒什麼不好。」

「當時李政道、楊振寧在1956年拿到諾貝爾獎,於是最聰明的人都搶著去念物理系。不過,我以2分之差與物理系錯身而過,後來進了臺大化學系。」

而大學時期的陳仲瑄,對閱讀文史的興趣依然不減,「甚至很熱衷追趕當時流行的電影,有一次急著過馬路,不小心被摩托車撞到刮傷,等電影看完才發現長褲都滲出血了!」一身文氣、舉止不疾不徐,從陳仲瑄現在的形象,很難讓人聯想他當時的年輕激昂。

自認大學表現普通的陳仲瑄,1969年大學畢業也跟著朋友的腳步赴美,後來,拿到了美國芝加哥大學化學系的獎學金,一路從碩士攻讀到博士。


陳仲瑄笑說,自己本來最想念的是文史科系,是在家人期待下,才糊里糊塗的踏入科學研究。(攝影/巫芝岳)

師承李遠哲 開創質譜儀新技術

也許是機運使然,這位順應時代潮流的文史青年,竟遇見了首位臺灣人諾貝爾獎得主—當時年僅三十出頭的李遠哲教授。

李遠哲在1967年到哈佛大學進行博士後研究時,開發組裝了世界上第一部交叉分子儀,開拓了一個全新的物理化學研究領域。

因為「交叉分子束法」被誇為「物理化學界的莫札特」的李遠哲,1968年離開哈佛大學後,正好有短暫幾年(1968-1974)被應聘至芝加哥大學。

陳仲瑄說,「李遠哲那時候已經很有名了,但在華人的聚會中,他還是非常謙和,常幫大家的忙。他也是我見過最勤勞用功的科學家,不僅擅長設計儀器,指導學生也是事必躬親。當時的我沒什麼突出之處、英文也不好,也不會做儀器,沒想到會成為他的學生!」

「很多人可能不曉得,李遠哲其實是全世界質譜儀的尖端發展者之一,當時四極柱質譜儀才問世不久,他就已經做出了好幾種質譜儀。」陳仲瑄說。

1970年加入李遠哲的研究團隊,也自此令陳仲瑄與質譜儀結下不解之緣。

開發出首個能測出單一原子的
「共振游離質譜儀」

他跟著李遠哲一步步從設計圖開始打基礎,也埋首於化學物理的鑽研,但直到在李遠哲的實驗室親手打造出第一台儀器,才奠定了他想要製造儀器來貢獻國家社會的志向。

1974年,陳仲瑄取得博士學位後,隨即加入了美國能源部所屬的國家級實驗機構「橡樹嶺國家實驗室」。1976年,他和實驗室同仁就取得突破性進展,開發出首個能夠測出單一原子的「共振游離質譜儀」。

1984年,陳仲瑄等人又研發出不需連續抽氣,就能逐一測驗同位素原子的同位素測量法,可以應用在檢查核子廢料、或用於原子彈頭的鈾同位素等,應用性很廣。

1990年間,環保概念興起,他又發明了「真空紫外光游離源質譜儀」,可用於檢測空氣中的污染物及冷媒中會破壞臭氧層的氟氯昂(freon)。

陳仲瑄還提及,當時專注做研究,也沒有申請專利、進一步商業化的想法,結果有日本廠商以相同概念進行氟氯昂檢測專利申請,並開發出產品大發利市。

但陳仲瑄也正因為持續開發出有價值的儀器,三度奪得全球百大科技研發獎(IR-100s Awards),分別是1984年的惰性原子計數器、1987年的石英雷射監測器、1992年的冷媒測量器。

質譜儀檢測生物標記 不用1秒就出爐

1987年起,美國開始推行人類基因體計畫(Human genome project),為了要定序全基因體,學研界傾力推出各式各樣的DNA定序法。陳仲瑄也發揮在質譜儀上的專長,提出以質譜儀定序基因片段的方法。

陳仲瑄表示,質譜儀用於DNA定序最大的優勢就是極為快速、一個樣本不用1秒,但缺點是能夠定序的長度只有約100個鹼基,相較於毛細管電泳約700~800個鹼基,解析度比較不足,在全基因體排序比較困難。

因此,陳仲瑄團隊將檢測研究方向轉向遺傳性疾病的生物標誌,例如:囊狀纖維化(cystic fibrosis)或亨丁頓舞蹈症(Huntington's Disease)、以及癌症細胞的分子等。

這樣的應用潛力也在2005年,吸引當時被李遠哲延攬回國任職中研院基因體中心主任翁啟惠的關注,他因此力邀陳仲瑄也回臺,協助中心在生醫儀器方面的發展。

「當時我和中研院原分所的張煥正教授合作,發展一系列大分子顆粒的質譜儀量測技術。以前質譜儀最大只能測量到100萬道耳吞(Daltons),現在可以擴展到100億道耳吞,不只是微米粒子,還可以量到整個細胞!」陳仲瑄說。

(編按:Dalton,縮寫為Da,為原子的質量單位,其定義為靜止未鍵結、且處於基態碳12原子質量的1/12)

後來,除了疾病的生物標誌,質譜儀也被應用在幹細胞的生物標誌,以及蛋白質體學的研究。陳仲瑄的研究領域,也從化學物理走進微米級、奈米級的生物醫學世界。

陳仲瑄表示,只要檢測的分子滿足可以被汽化、可以游離帶電兩個條件,質譜儀幾乎可以用來測量所有的分子,且其在醫學領域中的應用已是現在進行式。

「很多大醫院開始購入質譜儀,用在疾病標的物的檢查。質譜儀也可以用來做細菌或病毒的檢測。」他說。


Profile:陳仲瑄

現職
中央研究院院士
國立中山大學榮譽講座教授
中研院基因體研究中心 客座講座
臺灣質譜學會 理事
經歷中央研究院基因體研究中心關鍵技術專題中心執行長(2005~2018年)
臺灣大學化學系兼任教授(2006~2018年)
臺灣大學生物機電工程學系兼任教授(2012~2018年)
中央研究院原子與分子科學研究所兼任研究員(2006~2018年)
國科會生技醫藥國家型科技計畫資源中心及核心設施辦公室主任(2011~2017年)
中央研究院基因體研究中心主任(2007~2016年)
中央研究院評議員(2006~2016年)
國科會基因體醫學國家型計畫諮詢委員(2007~2011年)
學歷1974年 美國芝加哥大學化學博士
1971年 美國芝加哥大學化學碩士
1969年 國立臺灣大學化學系學士

>>本文節錄於《環球生技月刊》Vol. 83

更多台灣生醫康產業報導,請鎖定環球生技: https://news.gbimonthly.com

相關商品
環球生技