分子这么小，化学家们是怎么看到它们的？

非诚勿扰孟非

我们在初中的时候都学过，分子是参与化学反应的最小微粒。
我们也曾见过各种各样神奇的，美丽的化学反应。



美丽的化学反应

我们也知道，在实验室里，科学家都是千里眼：用望远镜能看到千万光年外的恒星的闪光，用显微镜能观察到细胞的活动。
但是，如果将细胞比作太阳，那么哪怕细胞中最大的蛋白质分子（肌联蛋白）也仅有地球上的一例沙那么大。
而水分子相对于细胞中最大的蛋白质分子，则如同一个人和一座城市的比较。
你有没有想过，科学家们在实验室里是怎么看到分子的？如果看不到它们，怎么能信誓旦旦的说它们是实实在在的客观存在呢？又怎么研究它们，应用它们呢？这期文章我们就来讨论一下这个问题。
<hr/>说到这个问题，你可能第一时间想到的是用显微镜看。
慢着，显微镜不是生物学家用来观察细胞的吗，你确定可以拿来直接看分子？
其实，这个答案是否定的。为什么？
首先要明白，当我们看到一个物体的时候，我们实际上看到的是什么？
实际上我们看到的是这个物体反射到我们眼睛里的光线。
我们都知道，光是一种波，不同的光线有不同的波长，频率，振幅等等参数。一个尺寸大于光的波长的不透明物体都可以反射光线，这也是我们日常生活中习以为常的事，不然我们眼睛的存在也就没有意义了。然而当一个物体的尺寸小于可见光的波长的时候，神奇的事情发生了，此时光子不仅会被物体本身反射，还有相当一部分的光子会绕过物体传播，发生衍射现象。
衍射现象的发生会导致使用光学手段观察物体变得模糊，就像你把一张图片无限放大之后图像就会变得越来越模糊一样。



无限放大照片后产生马赛克（我不会告诉你原图是一个漂亮的小姐姐）

这就导致光学显微镜必定会有一个分辨率的极限。以二氧化碳分子为例，二氧化碳分子的直径为3.3 Å（3.3×10-10米），要想看到二氧化碳分子，我们需要将其放大300万倍。然而很遗憾，我们常用的光学显微镜的放大极限只有2000倍。
以上我们分析了为什么我们用生物学家的显微镜不能观察到分子。
那么问题来了，我们不能用眼睛看到它们，怎么知道分子是存在的呢？
故事要追溯到1808年。就在英国化学家道尔顿发表原子论之后的第二年，法国化学家盖·吕萨特在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现，参加同一反应的各种气体，同温同压下，其体积成简单的整数比。这一规律也成为盖·吕萨特定律。盖·吕萨特认为，这一定律表明，同温同压下，相同体积的不同气体应该含有相同数目的原子。但是这一假说遭到了原子论的创立者，道尔顿的激烈反对。
1811年，在盖·吕萨特定律的基础上，阿伏伽德罗发表了题为《原子相对质量的测定方法及原子进入化合物的数目比例的确定》的论文，明确提出了分子的概念。然而，不同于原子理论，在&#34;分子&#34;这一概念提出后的50多年里都没有得到化学家们的广泛认可，此后化学界一直处于一个混乱状态，分子到底是否存在始终没有一个统一的认识。



分子理论的提出者--阿伏伽德罗

一直到1905年，当时年仅26岁的爱因斯坦在没有任何名师指导，缺乏研究的仪器和资料下，他利用一切空余的时间，完成了 4 篇革命性的论文。其中一篇《分子大小的新测定法》为他赢得了博士学位。在这篇文章中，爱因斯坦结合英国植物学家布朗于1827年发现的布朗运动，验证了水分子的存在，并计算了分子的大小和阿伏伽德罗常数。3 年后，法国物理学家佩兰通过实验印证了爱因斯坦的理论。在这里感慨一下人类思维的伟大。
至此，人们才知道原来分子确实是存在的，而且虽然看不到，却可以通过间接的方法测量其大小。
爱因斯坦的这个研究成果也促进了化学科学的大发展。此后，化学正式进入分子科学时代。
1828年德国化学家维勒用加热的方法使氰酸铵转化为尿素，打破了有机化合物只能由有机生命体才能产生的所谓”生命力“学说后，有机化学获得了蓬勃的发展。相对于传统的无机化合物，碳原子的四价和多种多样的轨道杂化方式使得其具有多样的连接形式，因此有机化合物的种类和数量都远远大于无机化合物的种类和数量。
而且人们发现，有机化合物可以参与的化学反应十分多样，而且不同的有机化合物分子的性质天差地别，相对于无机化合物，其制备方法和反应的原理也更加有规律。因此有机化学自诞生之后迅速成为现代化学的核心分支。
如何研究有机分子又成为摆在人们眼前的第一道难题。
1830年德国化学家李比希发展了碳、氢分析法，1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法。这些有机定量分析法的建立使化学家能够求得一个化合物的实验式。但这是远远不够的。
因为不同的有机分子具有不同的空间立体结构，而结构又跟这个分子的性质紧密挂钩。



不同结构的分子，有的看上去是有荧光的固体，有的则是白色粉末

化学家亟需一双千里眼，帮助他们看到他们手中的各种固体，液体和气体的微观组成。
在技术条件的限制下，似乎想要直观的看到分子是不太可能了。怎么办呢？
虽然看不到，但是我们可以通过一系列间接方法获得微观世界的各种信息，然后将这些信息加以分析，组合，处理，再加上我们强大的思维能力，说不定有可能推导出分子的结构信息。

• 红外光谱
  

受到原子吸收光谱的启发。早期被应用于研究分子的技术是红外吸收光谱。
量子力学的不确定性原理告诉我们，只要不到绝对零度，任何微观粒子都不会停止运动。分子也是如此。分子中各个原子虽然紧密的连接在一起，但是每个原子每时每刻也都处于剧烈的震动中，因此理论上分子中两个原子之间的距离是一直在变化的，直观想象一下就像一个弹簧在震动一样。



永不停息的摇摆

研究发现，这样的震动是可以吸收红外线的。
我们利用不同波段的红外线照射分子，不同的摇摆模式会吸收不同波段的红外线。
我们只需要在照射分子之后的红外线中分析哪一波段的红外光被吸收就可以知道分子中有哪种形式的震动模式，而不同的原子连接方式都具有特定的震动模式，因此我们就可以恍然大悟，哦，这个分子中原来有这么几种原子的连接方式啊。

• 紫外荧光光谱
  

有的结构的分子具有荧光，反应在宏观上就是，哇，这个东西会发光，好漂亮。



美丽的荧光

而具有荧光的分子，其结构中往往具有特定的分子片段。
紫外荧光光谱的诞生就是为了检测某些分子是否具有荧光。你可能会奇怪，有没有荧光我不是可以直观看到吗？
其实不然，有些荧光很微弱的物质，你是看不到它有荧光的。
这个时候就需要我们使用紫外荧光光谱来鉴别，嗯，专业团队。
要想激发一个分子让它发光，需要我们找到合适的东西刺激它。这个东西就是紫外线，我们向它扔紫外线，它会向我们扔荧光。
紫外荧光仪就是向分子扔紫外线并检测分子向我们扔荧光的专业仪器。通过紫外荧光仪，我们可以知道这个分子的光学性质。

• 质谱
  

分子跟人一样，也是具有体重的。
检测分子重量的仪器，叫质谱仪。
它的工作原理高中物理有介绍。总的来说是先让分子带电荷，然后让它在磁场中转圈，根据在磁场中的飞行距离和飞行时间来计算出这个分子的体重。结合质谱和元素分析，我们就可以知道分子里有什么元素，分别有几个相应的原子啦。
根据以上常用的信息，其实我们仍然没办法知道一个分子到底长什么样。。很遗憾对不对。别急，另外三项姗姗来迟的技术真的让化学家们有了眼睛，可以”直观“的看到他们的分子长什么样子！这三项技术分别是：核磁共振波谱，单晶X-射线衍射以及扫描隧道显微镜。

• 核磁共振波谱
  

核磁共振波谱是我认为化学家研究分子结构最为强大的武器。没有之一。
核磁共振技术起始于1945年，F. Bloch 和 E. M. Purcell 首次观察到了水和石蜡的核磁共振信号。为此他们获得了1952年诺贝尔物理学奖。
该技术于20世纪50年代中期开始应用于有机化学领域。并迅速成为化学家看到分子结构的强有力的武器。



有机化学家的眼睛，核磁共振谱仪

类似于显微镜，核磁共振谱也是有分辨率的。核磁共振谱仪是将样品置于强大的磁场中，磁场频率的提高是提高核磁共振分辨率的关键。



核磁图谱

和我们直观理解不同的是，核磁共振的结果是以类似于心电图的线条呈现的。不同位置的线条代表不同类型的氢原子或碳原子，线条的高度代表了不同数量的氢原子。核磁共振图谱可以给出丰富的分子结构的信息。综合这些信息，可以很方便的知道一个分子长什么样子。
这样的图谱在一个有经验的有机化学家眼中，就是一个个活生生的分子。
我们只是看到了表面的线条，而化学家却可以看到线条背后的那个它。
随着技术的不断迭代和人们认知水平的快速提升，以及新需求的不断提出。核磁共振技术也在快速迭代和改进。
从最初的只有40兆赫兹的低频率低分辨率，到现在300 MHz，400 MHz，500 MHz 甚至1 THz。核磁的分辨率正在不断提升。
此外其功能也在不断增加。
从最初的智能探测分子中氢原子的种类，到后来可以探测碳原子的种类，再到可以探测特定原子例如磷原子，钠原子，锂原子，氮原子等等。此外，通过对整个仪器进行升温和降温，我们还能了解在不同温度下分子的状态。
核磁共振技术正在越来越完善。它呈现给我们的信息也在快速增加。它就是化学家的显微镜，虽然它不能让我们”直观“地看到分子本身，但通过它，我们真的可以看到分子本身的样子。

• 单晶X-射线衍射
  

单晶X-射线衍射似乎是一个更为牛叉的技术。因为从它开始，我们真的可以直观看到分子长什么样子了。



单晶X-射线衍射仪

单晶X-射线衍射的基本原理是通过分析X射线穿过化合物晶体时的衍射图样来计算化合物的结构。
最出名的例子是沃森和克里克利用这种技术确定了DNA的双螺旋结构。



DNA双螺旋的单晶X-射线衍射图样

该技术也是生物化学家解析蛋白质结构，揭秘某种蛋白质在某些生理活动中发挥功能的关键技术，也为我们推断某些疾病发病机理的关键技术。



利用单晶X-射线技术解析得到的某蛋白质结构

• 扫描隧道显微镜
  

前面讲到由于光子波长的限制，光学显微镜的分辨率被限制在了只能放大2000倍的数字上。
看不行，我们是否能摸一摸呢？
1981年，IBM的苏黎世实验室中，格尔德·宾尼希（Gerd Binnig）及海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）两位科学家根据量子隧穿效应，发明了扫描隧道显微镜。不用猜，这样牛叉的技术肯定也是诺奖级别的。



扫描隧道显微镜

其工作原理是在被测的分子上方设置一个仅有一个原子的探针。探针不与被测分子直接接触，但二者之间的距离极短。添加电压后，由于量子隧道效应，探针与被测分子之间虽然不直接接触，但仍然存在微弱的电流，探针在被测物表面扫描时，不同的原子大小不同，与探针之间的距离也不同，就会影响扫描电流的大小，根据电流大小的变化信号，我们就可以知道样品表面不同位置的突起程度，进而就可以绘制样品表面分子的结构。它跟我们见过的老式唱片机有着非常相似的工作原理



扫描隧道显微镜的工作原理

利用扫描隧道显微镜，科学家甚至可以随意排列原子，形成他们想要的图案。2013年，IBM科学家利用这项技术拍摄了一个由几个原子演奏的电影：一个男孩和他的原子（A Boy and His Atom）。感兴趣的读者可以去看一下。



一个男孩和他的原子（A Boy and His Atom）

大家可能会觉得好奇，为什么已经有了后两项可以直接”看到“甚至操纵原子和分子的技术，核磁共振波谱还被认为是化学家看到分子最有力的武器？
每项技术都有其相应的局限。
这三种技术由于工作原理，操作方法的不同，化学家们对他们使用的场景也不尽相同。
对于核磁共振技术，其优点是制样非常简单，我们只需要使用极少量的样品溶解在特定的溶剂里，再把样品放到磁场中就可以了。操作非常简单，而且是无损分析，即分析完成之后，样品还能够回收。
对于单晶X-射线衍射技术，样品也可以回收。但是其要求被检测的样品需要由比较规整的晶体结构。而自然状态下大多数分子都不是晶体状态，因此需要经过特殊的途径培养样品的单晶。因此这个技术只适用于观察具有良好晶体结构的分子。
扫描隧道显微镜的使用则更受局限。因为这是一个非常精密的仪器。被测的分子和探针之间距离一般只有一个原子甚至更小的空隙，因此外界稍微有一点震动就会干扰体系的正常使用。在实验室中，尤其是周围有地铁的实验室中，我们很多人都会选择更加安静的深夜和凌晨进行测量。因为此时周围汽车地铁的活动少，震动少，比较安静，测量的成功率更高。
好了，以上就是目前化学家们研究分子最为主流的几项技术，单独一项技术有时候很难给出一个分子结构的全面信息，因此我们往往同时使用两种甚至更多的技术，进行相互补充以及相互验证。
另外，介绍完这些技术之后，我也有所感慨，我真的希望我们中国的科学家也能在这些关键技术的发展和研究方面做出突破性的贡献，在科学技术的发展上留下属于我们中国人的足迹。
你们还想了解什么实验室里的事，可以评论区留言，我会把我所知道和能够知道的告诉大家。有不明白的问题我也会尽力回答大家。

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