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科技日報記者 劉霞

現(xiàn)代化學依賴分析儀器。從實驗室研究單個分子間的反應到工程師運作工業(yè)反應器制造出成噸產(chǎn)品，這些工具提供的信息使化學家能夠跟蹤分子并洞悉它們的行為。近日，美國化學會所屬專業(yè)化學期刊《化學和工程新聞》在慶祝學會成立100周年的特輯中，揭示了化學家的“百寶箱”。

核磁共振波譜與成像

很少有分析方法能像核磁共振（NMR）波譜法及其成像分支磁共振成像（MRI）那樣推動化學和醫(yī)學實踐的進展。

這些技術(shù)依賴于原子核和磁場之間的相互作用，為研究人員提供了確定固體、液體和氣體內(nèi)分子結(jié)構(gòu)的工具，也為給身體組織和內(nèi)部器官的精細成像提供了“武器”。

20世紀50年代，商業(yè)核磁共振儀器使化學家開始能夠分析相對較小的有機分子。如今，研究人員經(jīng)常使用這些儀器來研究RNA、DNA，以及其他類型的大分子和大型無機復合物，繼續(xù)推進結(jié)構(gòu)生物學、醫(yī)學和材料科學等領(lǐng)域的發(fā)展。

X射線晶體學

湖北大學研究人員利用X射線晶體學確定了由嗜熱細菌產(chǎn)生的P450酶的結(jié)構(gòu)。

圖片來源：郭瑞庭/陳純琪

X射線晶體學是一門利用X射線來研究晶體中原子排列的學科。更準確地說，利用電子對X射線的散射作用，可獲得晶體中電子密度的分布情況，再從中分析獲得原子的位置信息，即晶體結(jié)構(gòu)。

20世紀初，英國物理學家威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格父子提出了數(shù)學理論，可根據(jù)觀察到的散射模式推導出晶體的原子結(jié)構(gòu)，并因此摘得1915年諾貝爾物理學獎桂冠，該理論至今仍是現(xiàn)代X射線晶體學的基石。

近年來，科學家使用該技術(shù)來確定復雜生物結(jié)構(gòu)的3D幾何形狀，例如P450酶，這種酶在細胞藥物代謝中發(fā)揮著核心作用。此外，科學家也借助該技術(shù)來了解大分子，如蛋白質(zhì)和DNA的結(jié)構(gòu)和功能，為藥物設(shè)計提供參考。

質(zhì)譜法

1960年，美國化學家、全球質(zhì)譜界泰斗弗里德·麥克拉弗蒂（后）和羅蘭德·戈爾克在擺弄質(zhì)譜儀。

圖片來源：陶氏化學公司

質(zhì)譜法是純物質(zhì)鑒定最有力的工具之一，包括相對分子量測定、化學式的確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。

原子、分子或微觀粒子的質(zhì)量是其最基本的性質(zhì)之一，長期以來一直被用來識別或確認這些物質(zhì)的存在。1910年代，英國物理學家進行了一些最早的原子質(zhì)量探測工作，并制成了一臺能分辨百分之一質(zhì)量單位的質(zhì)譜計，用來測定同位素的相對豐度，從而鑒定出了許多同位素。

在接下來的幾十年里，科學家進行了數(shù)量驚人的創(chuàng)新。今天，質(zhì)譜法被用于單細胞和單分子質(zhì)量測量，推動著生物學和醫(yī)學的發(fā)展。

色譜法

很久以前，科學家就開發(fā)了分離化學混合物成分的色譜方法。

一些最早的工作集中于利用組分分子與分離柱中顆粒結(jié)合強度的差異來分離和提純天然存在的植物色素混合物。百年來，盡管分離原理方面的創(chuàng)新乏善可陳，但儀器領(lǐng)域卻發(fā)生了翻天覆地的變化。

1950年左右，全手動方法被氣相色譜動力系統(tǒng)所取代。氣相色譜是一種分離揮發(fā)性化合物的技術(shù)。20世紀70年代，高效液相色譜法流行起來，為分離和分析各種化合物（包括手性藥物）提供了方法。

顯微鏡和分子成像

在電子顯微鏡最新進展的幫助下，研究人員推斷出了人類起始前復合體的結(jié)構(gòu)

圖片來源：《科學》雜志

數(shù)百年來，對大自然充滿好奇的人們使用放大鏡來揭示肉眼看不到的微小結(jié)構(gòu)。在過去一個世紀里，科學家設(shè)計出了能夠提供前所未有精確度的原子和分子視圖的儀器。

場離子顯微鏡和透射電子顯微鏡分別于1955年和1970年面世，生成了金屬樣本中單個原子的圖像。20世紀80年代出現(xiàn)的掃描探針顯微鏡不僅使科學家能夠?qū)υ舆M行成像，還可一次操作一個原子，組裝和研究納米結(jié)構(gòu)。此后，科學家繼續(xù)創(chuàng)新和設(shè)計方法，對越來越復雜的分子結(jié)構(gòu)進行成像，比如人類起始前復合體。

超快衍射

建立和破壞化學鍵是化學反應的基本步驟。但由于電子和原子核的不穩(wěn)定運動通常發(fā)生在幾飛秒內(nèi)，因此追蹤它們絕非易事。

然而，在過去十年里，科學家已經(jīng)設(shè)計出了為這些轉(zhuǎn)瞬即逝的分子“舞蹈動作”拍攝定格照片的方法。這些方法使用X射線自由電子激光器進行X射線的超快衍射，并使用電子相機進行電子的超快衍射?？茖W家可將這些圖像拼接在一起，構(gòu)建出一部化學反應動力學的電影，以揭示引導反應物形成一種或多種產(chǎn)物的基本步驟。