科技创新世界潮|化学家百年来的“百宝箱”

科技日报记者 刘霞

现代化学依赖分析仪器。从实验室研究单个分子间的反应到工程师运作工业反应器制造出成吨产品，这些工具提供的信息使化学家能够跟踪分子并洞悉它们的行为。近日，美国化学会所属专业化学期刊《化学和工程新闻》在庆祝学会成立100周年的特辑中，揭示了化学家的“百宝箱”。

核磁共振波谱与成像

很少有分析方法能像核磁共振（NMR）波谱法及其成像分支磁共振成像（MRI）那样推动化学和医学实践的进展。

这些技术依赖于原子核和磁场之间的相互作用，为研究人员提供了确定固体、液体和气体内分子结构的工具，也为给身体组织和内部器官的精细成像提供了“武器”。

20世纪50年代，商业核磁共振仪器使化学家开始能够分析相对较小的有机分子。如今，研究人员经常使用这些仪器来研究RNA、DNA，以及其他类型的大分子和大型无机复合物，继续推进结构生物学、医学和材料科学等领域的发展。

X射线晶体学

湖北大学研究人员利用X射线晶体学确定了由嗜热细菌产生的P450酶的结构。
图片来源：郭瑞庭/陈纯琪

X射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。更准确地说，利用电子对X射线的散射作用，可获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得原子的位置信息，即晶体结构。

20世纪初，英国物理学家威廉·亨利·布拉格和威廉·劳伦斯·布拉格父子提出了数学理论，可根据观察到的散射模式推导出晶体的原子结构，并因此摘得1915年诺贝尔物理学奖桂冠，该理论至今仍是现代X射线晶体学的基石。

近年来，科学家使用该技术来确定复杂生物结构的3D几何形状，例如P450酶，这种酶在细胞药物代谢中发挥着核心作用。此外，科学家也借助该技术来了解大分子，如蛋白质和DNA的结构和功能，为药物设计提供参考。

质谱法

1960年，美国化学家、全球质谱界泰斗弗里德·麦克拉弗蒂（后）和罗兰德·戈尔克在摆弄质谱仪。
图片来源：陶氏化学公司

质谱法是纯物质鉴定最有力的工具之一，包括相对分子量测定、化学式的确定及结构鉴定等。

原子、分子或微观粒子的质量是其最基本的性质之一，长期以来一直被用来识别或确认这些物质的存在。1910年代，英国物理学家进行了一些最早的原子质量探测工作，并制成了一台能分辨百分之一质量单位的质谱计，用来测定同位素的相对丰度，从而鉴定出了许多同位素。

在接下来的几十年里，科学家进行了数量惊人的创新。今天，质谱法被用于单细胞和单分子质量测量，推动着生物学和医学的发展。

色谱法

很久以前，科学家就开发了分离化学混合物成分的色谱方法。

一些最早的工作集中于利用组分分子与分离柱中颗粒结合强度的差异来分离和提纯天然存在的植物色素混合物。百年来，尽管分离原理方面的创新乏善可陈，但仪器领域却发生了翻天覆地的变化。

1950年左右，全手动方法被气相色谱动力系统所取代。气相色谱是一种分离挥发性化合物的技术。20世纪70年代，高效液相色谱法流行起来，为分离和分析各种化合物（包括手性药物）提供了方法。

显微镜和分子成像

在电子显微镜最新进展的帮助下，研究人员推断出了人类起始前复合体的结构
图片来源：《科学》杂志

数百年来，对大自然充满好奇的人们使用放大镜来揭示肉眼看不到的微小结构。在过去一个世纪里，科学家设计出了能够提供前所未有精确度的原子和分子视图的仪器。

场离子显微镜和透射电子显微镜分别于1955年和1970年面世，生成了金属样本中单个原子的图像。20世纪80年代出现的扫描探针显微镜不仅使科学家能够对原子进行成像，还可一次操作一个原子，组装和研究纳米结构。此后，科学家继续创新和设计方法，对越来越复杂的分子结构进行成像，比如人类起始前复合体。

超快衍射

建立和破坏化学键是化学反应的基本步骤。但由于电子和原子核的不稳定运动通常发生在几飞秒内，因此追踪它们绝非易事。

然而，在过去十年里，科学家已经设计出了为这些转瞬即逝的分子“舞蹈动作”拍摄定格照片的方法。这些方法使用X射线自由电子激光器进行X射线的超快衍射，并使用电子相机进行电子的超快衍射。科学家可将这些图像拼接在一起，构建出一部化学反应动力学的电影，以揭示引导反应物形成一种或多种产物的基本步骤。