什么是X射線結晶學?



原標題:什么是X射線結晶學?

  大約100年前,在英格蘭北部,一對父子進行了一項實驗,和科學史上的很多實驗一樣,盡管這對父子的初衷并非如此,但這項實驗卻徹底改變了科學家們研究分子的方式。隨后,不斷有科學家們對這一方法進行修改,精煉,使其日臻完善。但不管面貌如何改變,其始終是科學研究中最重要的工具之一,她就是X射線結晶學。

  小小餐桌上的偉大實驗

  1913年,英國物理學家威廉·亨利·布拉格和兒子威廉·勞倫斯·布拉格使用餐桌上的精鹽(氯化鈉)進行了實驗,他們準備了一粒潔凈的鹽晶體并在其上照射X光,結果,在置于其后的印相紙上,出現了一則非常美麗的幾何圖案。

  當然,這一實驗并非布拉格父子的首創,以前已有人做過類似的事情,但布拉格父子發現了其中的玄妙。他們意識到,對這些點和圖案的排列方式進行認真的研究和梳理,或許能獲得與鹽分子結構有關的信息。隨后,勞倫斯·布拉格總結出了一個公式—那就是我們現在所熟知的“布拉格定律”,借用這一公式,他厘清了組成氯化鈉的鈉和氯原子在鹽晶體內的排序方式。他們的實驗不僅證實了原子的存在,而且也展示了原子如何結合在一起形成化合物。

  從那一刻起,原子之間如何相互作用的神秘方式,就處在科學家們的掌控之中了。隨后,科學家們踏上了揭示分子結構的征程,一個個偉大的科學發現也接踵而至。

  “27項諾貝爾獎不可或缺的配方”

  上世紀,有27項諾貝爾獎被授給直接使用X射線結晶學所獲得的發現。對于約克郡出生的布拉格父子的實驗產生的重大科學影響,奧地利化學家麥克斯·佩魯茨的評價最切中肯綮:“27項諾貝爾獎不可或缺的配方”。

  為什么水在100攝氏度沸騰而甲烷在零下161攝氏度就能沸騰?為什么鮮紅如血而碧草青青?為什么鉆石堅如磐石而蠟卻很柔軟?為什么同樣遭受錘擊,冰川會漂流而鐵會變硬?肌肉如何收縮?陽光如何使萬物繁茂生長?生物體如何能進化成更復雜的形式等等,所有這些問題的答案都來自于結構分析。

  1953年,英國物理化學家與晶體學家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林使用X射線結晶學,拍攝了DNA晶體衍射圖片“照片51號”,這副圖片以及關于此物質的相關數據,是詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克解出DNA的雙螺旋結構的關鍵線索,這副照片亦被稱為“有史以來最重要的圖片”。

  DNA可能是被X射線所確定的所有結構中,最重要也最為人所熟知的,但它只是被X射線確定的數千個結構之一:從餐桌上的食鹽到藥品;從各種材料到復雜的大蛋白,對這些結構的了解也促進了我們對生命本身的進化的理解。

  實驗所用晶體越來越小

  盡管如此,化學家們對X射線結晶學的感情非常復雜,可謂愛恨交織,因為這一技術并非萬能,其仍然有一個重大的局限,那就是,這一方法要用到特定品質和大小的晶體。品質好的鹽晶體易得,但蛋白質這樣復雜分子的晶體則難求,正因如此,很多科學家們的主要工作就是研究如何制造出特定蛋白的高質量晶體。

  從某種程度上來說,解決晶體問題也成為推動X射線結晶學不斷前進的動力。一種解決辦法是使用功能更加強大的X射線,就像熊熊燃燒的火炬比蠟燭更明亮一樣,X射線光束的能量越多,得到高質量衍射圖案所需要的晶體也就越小。

  100年前,布拉格父子使用的X射線源是類似于燈泡的一塊小小的玻璃管,它產生的X射線的強度只夠揭示鹽晶體的結構;而現代的光源則來自于名為同步加速器的大型粒子加速器,比如英國著名的第三代同步輻射光源“鉆石光源”等。這些大型設備可能長達數百米,產生光束的強度為太陽光的數萬倍。使用這些不可思議的光束,科學家們能從越來越小的晶體中將其結構提出出來,或許,最終不再需要晶體。




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