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2007年時点で、化学分野において、「博士の学位」「修士の学位」「専門職学位」を保持しないノーベル賞受賞者は、田中耕一のみである。なお博士の学位を保持しない同賞受賞者としては、チャールズ・ペダーセン(日系人)についで2番目である。
タンパク質を質量分析にかける場合、タンパク質を気化させ、かつイオン化させる必要がある。しかし、タンパク質は気化しにくい物質であるため、イオン化の際は高エネルギーが必要である。しかし、高エネルギーをかけるとタンパク質は気化ではなく分解してしまうため、特に高分子量のタンパク質をイオン化することは困難であった。
そこで、グリセロールとコバルトの混合物(マトリックス)を熱エネルギー緩衝材として使用したところレーザーによりタンパク質を気化、検出することに世界で初めて成功した。この功績が評価され、彼の開発した方法を「ソフトレーザーイオン化法」として、ノーベル賞が授与された。「レーザーイオン化質量分析計用試料作成方法」は、1985年に特許申請された。
現在、生命科学分野で広く利用されている「MALDI-TOF MS」は、田中らの発表とほぼ同時期にドイツ人化学者(Hillenkamp、Karas)により発表された方法である。MALDI-TOF MSは、低分子化合物をマトリックスとして用いる点が田中らの方法と異なるが、より高感度にタンパク質を解析することができる。
なお受賞に先立ち、1983年に卒業した出身校の東北大学から2002年10月31日に名誉博士号が授与されたが、田中は自分は職人的科学者であるとして、ノーベル賞授賞式会場でも敬称にドクターではなく、ミスターを使うよう申し出たという経緯がある。電話による受賞の報が伝えられたとき「びっくり」(ドッキリカメラの意)だと思い本気にしなかったが、家の前に報道陣が大挙押し寄せやっと現実と考えた。
田中は現場にいることを好んだため、昇進の話をたびたび拒み、ノーベル賞受賞時も島津製作所に於いては年齢的に不相応な係長という職にいた。しかし同賞受賞に伴い会社の業績に多大な功績を与えたため、島津製作所は待遇を上げた上で現場に留まれる「フェロー」という職制を新たに創設した。この時にも、会社は田中を取締役待遇フェローに遇しようとしたが、「急に待遇が上がるのは好ましくない」と田中が拒んだため、しばらくの間、部長待遇のフェローとなったという話もある(2003年1月より執行役員待遇)。
内閣府の総合科学技術会議にも参加し、日本の科学政策に影響を与える存在にまでなっている。