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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(dòng)化學(xué)和醫(yī)學(xué)實(shí)踐的進(jìn)展。

這些技術(shù)依賴于原子核和磁場(chǎng)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(xì)成像提供了“武器”。

20世紀(jì)50年代，商業(yè)核磁共振儀器使化學(xué)家開始能夠分析相對(duì)較小的有機(jī)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(jī)復(fù)合物，繼續(xù)推進(jìn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。

X射線晶體學(xué)

湖北大學(xué)研究人員利用X射線晶體學(xué)確定了由嗜熱細(xì)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(xué)是一門利用X射線來研究晶體中原子排列的學(xué)科。更準(zhǔn)確地說，利用電子對(duì)X射線的散射作用，可獲得晶體中電子密度的分布情況，再?gòu)闹蟹治霁@得原子的位置信息，即晶體結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)初，英國(guó)物理學(xué)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(xué)理論，可根據(jù)觀察到的散射模式推導(dǎo)出晶體的原子結(jié)構(gòu)，并因此摘得1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠，該理論至今仍是現(xiàn)代X射線晶體學(xué)的基石。

近年來，科學(xué)家使用該技術(shù)來確定復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)的3D幾何形狀，例如P450酶，這種酶在細(xì)胞藥物代謝中發(fā)揮著核心作用。此外，科學(xué)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(jì)提供參考。

質(zhì)譜法

1960年，美國(guó)化學(xué)家、全球質(zhì)譜界泰斗弗里德·麥克拉弗蒂（后）和羅蘭德·戈?duì)柨嗽跀[弄質(zhì)譜儀。
圖片來源：陶氏化學(xué)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(duì)分子量測(cè)定、化學(xué)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(zhǎng)期以來一直被用來識(shí)別或確認(rèn)這些物質(zhì)的存在。1910年代，英國(guó)物理學(xué)家進(jìn)行了一些最早的原子質(zhì)量探測(cè)工作，并制成了一臺(tái)能分辨百分之一質(zhì)量單位的質(zhì)譜計(jì)，用來測(cè)定同位素的相對(duì)豐度，從而鑒定出了許多同位素。

在接下來的幾十年里，科學(xué)家進(jìn)行了數(shù)量驚人的創(chuàng)新。今天，質(zhì)譜法被用于單細(xì)胞和單分子質(zhì)量測(cè)量，推動(dòng)著生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

色譜法

很久以前，科學(xué)家就開發(fā)了分離化學(xué)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(qiáng)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(dòng)方法被氣相色譜動(dòng)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(jì)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(jìn)展的幫助下，研究人員推斷出了人類起始前復(fù)合體的結(jié)構(gòu)
圖片來源：《科學(xué)》雜志

數(shù)百年來，對(duì)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(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家設(shè)計(jì)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(chǎng)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(gè)原子的圖像。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的掃描探針顯微鏡不僅使科學(xué)家能夠?qū)υ舆M(jìn)行成像，還可一次操作一個(gè)原子，組裝和研究納米結(jié)構(gòu)。此后，科學(xué)家繼續(xù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)方法，對(duì)越來越復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，比如人類起始前復(fù)合體。

超快衍射

建立和破壞化學(xué)鍵是化學(xué)反應(yīng)的基本步驟。但由于電子和原子核的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出了為這些轉(zhuǎn)瞬即逝的分子“舞蹈動(dòng)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(jìn)行X射線的超快衍射，并使用電子相機(jī)進(jìn)行電子的超快衍射?？茖W(xué)家可將這些圖像拼接在一起，構(gòu)建出一部化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的電影，以揭示引導(dǎo)反應(yīng)物形成一種或多種產(chǎn)物的基本步驟。