分子這麼小,化學家們是怎麼看到它們的?

我們在初中的時候都學過，分子是參與化學反應的最小微粒。

我們也曾見過各種各樣神奇的，美麗的化學反應。

美麗的化學反應

我們也知道，在實驗室裡，科學家都是千裡眼：用望遠鏡能看到千萬光年外的恆星的閃光，用顯微鏡能觀察到細胞的活動。

但是，如果將細胞比作太陽，那麼哪怕細胞中最大的蛋白質分子（肌聯蛋白）也僅有地球上的一例沙那麼大。

而水分子相對於細胞中最大的蛋白質分子，則如同一個人和一座城市的比較。

你有沒有想過，科學家們在實驗室裡是怎麼看到分子的？如果看不到它們，怎麼能信誓旦旦的說它們是實實在在的客觀存在呢？又怎麼研究它們，應用它們呢？這期文章我們就來討論一下這個問題。

說到這個問題，你可能第一時間想到的是用顯微鏡看。

慢著，顯微鏡不是生物學家用來觀察細胞的嗎，你確定可以拿來直接看分子？

其實，這個答案是否定的。為什麼？

首先要明白，當我們看到一個物體的時候，我們實際上看到的是什麼？

實際上我們看到的是這個物體反射到我們眼睛裡的光線。

我們都知道，光是一種波，不同的光線有不同的波長，頻率，振幅等等參數。一個尺寸大於光的波長的不透明物體都可以反射光線，這也是我們日常生活中習以為常的事，不然我們眼睛的存在也就沒有意義了。然而當一個物體的尺寸小於可見光的波長的時候，神奇的事情發生了，此時光子不僅會被物體本身反射，還有相當一部分的光子會繞過物體傳播，發生衍射現象。

衍射現象的發生會導致使用光學手段觀察物體變得模糊，就像你把一張圖片無限放大之後圖像就會變得越來越模糊一樣。

無限放大圖片後產生馬賽克

這就導致光學顯微鏡必定會有一個解析度的極限。以二氧化碳分子為例，二氧化碳分子的直徑為3.3 （3.3×10-10米），要想看到二氧化碳分子，我們需要將其放大300萬倍。然而很遺憾，我們常用的光學顯微鏡的放大極限只有2000倍。

以上我們分析了為什麼我們用生物學家的顯微鏡不能觀察到分子。

那麼問題來了，我們不能用眼睛看到它們，怎麼知道分子是存在的呢？

故事要追溯到1808年。就在英國化學家道爾頓發表原子論之後的第二年，法國化學家蓋·呂薩特在研究各種氣體在化學反應中體積變化的關係時發現，參加同一反應的各種氣體，同溫同壓下，其體積成簡單的整數比。這一規律也成為蓋·呂薩特定律。蓋·呂薩特認為，這一定律表明，同溫同壓下，相同體積的不同氣體應該含有相同數目的原子。但是這一假說遭到了原子論的創立者，道爾頓的激烈反對。

1811年，在蓋·呂薩特定律的基礎上，阿伏伽德羅發表了題為《原子相對質量的測定方法及原子進入化合物的數目比例的確定》的論文，明確提出了分子的概念。然而，不同於原子理論，在"分子"這一概念提出後的50多年裡都沒有得到化學家們的廣泛認可，此後化學界一直處於一個混亂狀態，分子到底是否存在始終沒有一個統一的認識。

分子理論的提出者--阿伏伽德羅

一直到1905年，當時年僅26歲的愛因斯坦在沒有任何名師指導，缺乏研究的儀器和資料下，他利用一切空餘的時間，完成了 4 篇革命性的論文。其中一篇《分子大小的新測定法》為他贏得了博士學位。在這篇文章中，愛因斯坦結合英國植物學家布朗於1827年發現的布朗運動，驗證了水分子的存在，並計算了分子的大小和阿伏伽德羅常數。3 年後，法國物理學家佩蘭通過實驗印證了愛因斯坦的理論。在這裡感慨一下人類思維的偉大。

至此，人們才知道原來分子確實是存在的，而且雖然看不到，卻可以通過間接的方法測量其大小。

愛因斯坦的這個研究成果也促進了化學科學的大發展。此後，化學正式進入分子科學時代。

1828年德國化學家維勒用加熱的方法使氰酸銨轉化為尿素，打破了有機化合物只能由有機生命體才能產生的所謂」生命力「學說後，有機化學獲得了蓬勃的發展。相對於傳統的無機化合物，碳原子的四價和多種多樣的軌道雜化方式使得其具有多樣的連接形式，因此有機化合物的種類和數量都遠遠大於無機化合物的種類和數量。

而且人們發現，有機化合物可以參與的化學反應十分多樣，而且不同的有機化合物分子的性質天差地別，相對於無機化合物，其製備方法和反應的原理也更加有規律。因此有機化學自誕生之後迅速成為現代化學的核心分支。

如何研究有機分子又成為擺在人們眼前的第一道難題。

1830年德國化學家李比希發展了碳、氫分析法，1833年法國化學家杜馬建立了氮的分析法。這些有機定量分析法的建立使化學家能夠求得一個化合物的實驗式。但這是遠遠不夠的。

因為不同的有機分子具有不同的空間立體結構，而結構又跟這個分子的性質緊密掛鈎。

不同結構的分子，性質不同

化學家亟需一雙千裡眼，幫助他們看到他們手中的各種固體，液體和氣體的微觀組成。

在技術條件的限制下，似乎想要直觀的看到分子是不太可能了。怎麼辦呢？

雖然看不到，但是我們可以通過一系列間接方法獲得微觀世界的各種信息，然後將這些信息加以分析，組合，處理，再加上我們強大的思維能力，說不定有可能推導出分子的結構信息。

紅外光譜受到原子吸收光譜的啟發。早期被應用於研究分子的技術是紅外吸收光譜。

量子力學的不確定性原理告訴我們，只要不到絕對零度，任何微觀粒子都不會停止運動。分子也是如此。分子中各個原子雖然緊密的連接在一起，但是每個原子每時每刻也都處於劇烈的震動中，因此理論上分子中兩個原子之間的距離是一直在變化的，直觀想像一下就像一個彈簧在震動一樣。

永不停息的搖擺

研究發現，這樣的震動是可以吸收紅外線的。

我們利用不同波段的紅外線照射分子，不同的搖擺模式會吸收不同波段的紅外線。

我們只需要在照射分子之後的紅外線中分析哪一波段的紅外光被吸收就可以知道分子中有哪種形式的震動模式，而不同的原子連接方式都具有特定的震動模式，因此我們就可以恍然大悟，哦，這個分子中原來有這麼幾種原子的連接方式啊。

紫外螢光光譜有的結構的分子具有螢光，反應在宏觀上就是，哇，這個東西會發光，好漂亮。

美麗的螢光

而具有螢光的分子，其結構中往往具有特定的分子片段。

紫外螢光光譜的誕生就是為了檢測某些分子是否具有螢光。你可能會奇怪，有沒有螢光我不是可以直觀看到嗎？

其實不然，有些螢光很微弱的物質，你是看不到它有螢光的。

這個時候就需要我們使用紫外螢光光譜來鑑別，嗯，專業團隊。

要想激發一個分子讓它發光，需要我們找到合適的東西刺激它。這個東西就是紫外線，我們向它扔紫外線，它會向我們扔螢光。

紫外螢光儀就是向分子扔紫外線並檢測分子向我們扔螢光的專業儀器。通過紫外螢光儀，我們可以知道這個分子的光學性質。

質譜分子跟人一樣，也是具有體重的。

檢測分子重量的儀器，叫質譜儀。

它的工作原理高中物理有介紹。總的來說是先讓分子帶電荷，然後讓它在磁場中轉圈，根據在磁場中的飛行距離和飛行時間來計算出這個分子的體重。結合質譜和元素分析，我們就可以知道分子裡有什么元素，分別有幾個相應的原子啦。

根據以上常用的信息，其實我們仍然沒辦法知道一個分子到底長什麼樣。。很遺憾對不對。別急，另外三項姍姍來遲的技術真的讓化學家們有了眼睛，可以」直觀「的看到他們的分子長什麼樣子！這三項技術分別是：核磁共振波譜，單晶X-射線衍射以及掃描隧道顯微鏡。

核磁共振波譜核磁共振波譜是我認為化學家研究分子結構最為強大的武器。沒有之一。

核磁共振技術起始於1945年，F. Bloch 和 E. M. Purcell 首次觀察到了水和石蠟的核磁共振信號。為此他們獲得了1952年諾貝爾物理學獎。

該技術於20世紀50年代中期開始應用於有機化學領域。並迅速成為化學家看到分子結構的強有力的武器。

有機化學家的眼睛，核磁共振譜儀

類似於顯微鏡，核磁共振譜也是有解析度的。核磁共振譜儀是將樣品置於強大的磁場中，磁場頻率的提高是提高核磁共振解析度的關鍵。

核磁圖譜

和我們直觀理解不同的是，核磁共振的結果是以類似於心電圖的線條呈現的。不同位置的線條代表不同類型的氫原子或碳原子，線條的高度代表了不同數量的氫原子。核磁共振圖譜可以給出豐富的分子結構的信息。綜合這些信息，可以很方便的知道一個分子長什麼樣子。

這樣的圖譜在一個有經驗的有機化學家眼中，就是一個個活生生的分子。

我們只是看到了表面的線條，而化學家卻可以看到線條背後的那個它。

隨著技術的不斷迭代和人們認知水平的快速提升，以及新需求的不斷提出。核磁共振技術也在快速迭代和改進。

從最初的只有40兆赫茲的低頻率低解析度，到現在300 MHz，400 MHz，500 MHz 甚至1 THz。核磁的解析度正在不斷提升。

此外其功能也在不斷增加。

從最初的智能探測分子中氫原子的種類，到後來可以探測碳原子的種類，再到可以探測特定原子例如磷原子，鈉原子，鋰原子，氮原子等等。此外，通過對整個儀器進行升溫和降溫，我們還能了解在不同溫度下分子的狀態。

核磁共振技術正在越來越完善。它呈現給我們的信息也在快速增加。它就是化學家的顯微鏡，雖然它不能讓我們」直觀「地看到分子本身，但通過它，我們真的可以看到分子本身的樣子。

單晶X-射線衍射單晶X-射線衍射似乎是一個更為牛叉的技術。因為從它開始，我們真的可以直觀看到分子長什麼樣子了。

單晶X-射線衍射儀

單晶X-射線衍射的基本原理是通過分析X射線穿過化合物晶體時的衍射圖樣來計算化合物的結構。

最出名的例子是沃森和克裡克利用這種技術確定了DNA的雙螺旋結構。

DNA雙螺旋的單晶X-射線衍射圖樣

該技術也是生物化學家解析蛋白質結構，揭秘某種蛋白質在某些生理活動中發揮功能的關鍵技術，也為我們推斷某些疾病發病機理的關鍵技術。

利用單晶X-射線技術解析得到的某蛋白質

掃描隧道顯微鏡前面講到由於光子波長的限制，光學顯微鏡的解析度被限制在了只能放大2000倍的數字上。

看不行，我們是否能摸一摸呢？

1981年，IBM的蘇黎世實驗室中，格爾德·賓尼希（Gerd Binnig）及海因裡希·羅雷爾（Heinrich Rohrer）兩位科學家根據量子隧穿效應，發明了掃描隧道顯微鏡。不用猜，這樣牛叉的技術肯定也是諾獎級別的。

掃描隧道顯微鏡

其工作原理是在被測的分子上方設置一個僅有一個原子的探針。探針不與被測分子直接接觸，但二者之間的距離極短。添加電壓後，由於量子隧道效應，探針與被測分子之間雖然不直接接觸，但仍然存在微弱的電流，探針在被測物表面掃描時，不同的原子大小不同，與探針之間的距離也不同，就會影響掃描電流的大小，根據電流大小的變化信號，我們就可以知道樣品表面不同位置的突起程度，進而就可以繪製樣品表面分子的結構。它跟我們見過的老式唱片機有著非常相似的工作原理

掃描隧道顯微鏡的工作原理

利用掃描隧道顯微鏡，科學家甚至可以隨意排列原子，形成他們想要的圖案。2013年，IBM科學家利用這項技術拍攝了一個由幾個原子演奏的電影：一個男孩和他的原子（A Boy and His Atom）。感興趣的讀者可以去看一下

一個男孩和他的原子（A Boy and His At

大家可能會覺得好奇，為什麼已經有了後兩項可以直接」看到「甚至操縱原子和分子的技術，核磁共振波譜還被認為是化學家看到分子最有力的武器？

每項技術都有其相應的局限。

這三種技術由於工作原理，操作方法的不同，化學家們對他們使用的場景也不盡相同。

對於核磁共振技術，其優點是制樣非常簡單，我們只需要使用極少量的樣品溶解在特定的溶劑裡，再把樣品放到磁場中就可以了。操作非常簡單，而且是無損分析，即分析完成之後，樣品還能夠回收。

對於單晶X-射線衍射技術，樣品也可以回收。但是其要求被檢測的樣品需要由比較規整的晶體結構。而自然狀態下大多數分子都不是晶體狀態，因此需要經過特殊的途徑培養樣品的單晶。因此這個技術只適用於觀察具有良好晶體結構的分子。

掃描隧道顯微鏡的使用則更受局限。因為這是一個非常精密的儀器。被測的分子和探針之間距離一般只有一個原子甚至更小的空隙，因此外界稍微有一點震動就會干擾體系的正常使用。在實驗室中，尤其是周圍有地鐵的實驗室中，我們很多人都會選擇更加安靜的深夜和凌晨進行測量。因為此時周圍汽車地鐵的活動少，震動少，比較安靜，測量的成功率更高。

好了，以上就是目前化學家們研究分子最為主流的幾項技術，單獨一項技術有時候很難給出一個分子結構的全面信息，因此我們往往同時使用兩種甚至更多的技術，進行相互補充以及相互驗證。

另外，介紹完這些技術之後，我也有所感慨，我真的希望我們中國的科學家也能在這些關鍵技術的發展和研究方面做出突破性的貢獻，在科學技術的發展上留下屬於我們中國人的足跡。

你們還想了解什麼實驗室裡的事，可以評論區留言，我會把我所知道和能夠知道的告訴大家。有不明白的問題我也會盡力回答大家。