八個月前，中國科學家使用原子力顯微鏡，成功首次對分子間的氫鍵進行了實空間觀測。近日，麻省理工學院和芝加哥大學的科學家使用新開發的超速飛秒(千萬億分之一秒)紅外光源，得以直接「看到」被氫鍵連接的分子之間的協調振動。這是人類第一次觀察到這種在分子水平上隨處可見的化學作用。
氫鍵通常被視為一些中性電荷分子稍帶負電的一端和稍帶正電的一端之間的相互吸引力。由於氫原子獨特的極性性質，氫鍵能夠發生在已經以共價鍵相連接的氫原子和另一個原子之間。通常，氫原子兩邊連接的原子電負性都較強。
化學家、論文第一作者路易吉·德馬爾科（Luigi De Marco）對氫鍵的相互作用做出了解釋：「氫鍵的連接是一個十分重要的化學反應，它支配著許多物理、化學和生物反應現象。」
德馬爾科說道：「在溶液體系中，將會形成溶劑與溶質之間的強力氫鍵連接。當我們要研究比如水合溶劑和配體蛋白的連接時，氫鍵的這種動態相互作用就尤為重要。」氫鍵在生物大分子反應中也起到了關鍵作用，而且往往是發現新藥物的關鍵。
但德馬爾科同時表示：「一般來說，這種氫鍵連接的分子的相互作用很難被觀測到，這是因為會有來自非相互作用的其他『噪音』信號。不過，我們已經開發出了一項技術，可以直接探測這種相互作用的實時動態變化。」
德馬爾科解釋了這項技術的發展：「實際上我們的研究小組在幾年前已經開發了類似的技術。簡單來說，我們發明了一種方法，來生成一種很短的紅外脈衝，但具有難以置信的廣譜性。這讓我們能夠在光譜上把氫鍵的振動和系統中的其他振動區別開來，這就是我們如何『直接』觀察到氫鍵的相互作用的。」
德馬爾科和芝加哥大學的化學家安德烈·託克馬科夫（Andrei Tokmakoff）在研究中使用了N-甲基乙醯胺，它在有機溶液裡能形成中等強度的氫鍵。他們用二維紅外光譜來直接表徵氫鍵的結構參數，比如連接的兩個分子之間的距離和氫鍵的配置等等。這些信息可以用溶質-溶劑體系內紅外光譜顯示出的分子間的交叉峰來表示。
「這就好比你去『撥動』一個分子鍵，從而去觀察這種『撥動』如何影響到另一個分子。」 託克馬科夫說道，「在我們的實驗裡，由於約束比較強，你需要同時『撥動』氫鍵兩端的分子。」
對中國科學家首次「觀察」到氫鍵的成就，德馬爾科表示了欽佩：「他們非常精確地觀察、測量出了氫鍵。那是一個美麗的實驗，深刻地洞察了氫鍵的分子結構。」
同時德馬爾科也表示，他和託克馬科夫的工作是不同的：「我們並不直接得出氫鍵的結構解析，我們所追蹤的是氫鍵在100飛秒天然尺度裡的運動。在溶液裡，氫鍵的相互作用是很重要的。」
德馬爾科和託克馬科夫今後的工作可能涉及將其他生物分子的相互作用進行可視化，比如蛋白質和DNA的動態變化等等。
「你不能只把水想像成一種溶劑，」 託克馬科夫說道，「你要知道，它在所有的地方，特別是生物學方面有巨大的作用。很多計算生物學都忽略了水分子的真實結構，和它真正的量子力學性質。」
氫鍵連接的分子的振動