电子衍射技术:化学结构分析的重大突破

来源: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07213-3

发布日期: 2018-10-31

电子衍射技术的发展使得分子化学结构的识别更加快速和简便,这项技术有望在药物开发、法医化学等领域发挥重要作用,尽管它还存在一些局限性,如难以区分镜像分子。

对于分子科学家来说,掌握原子间是如何相连对他们的研究是非常重要的。例如当制药公司需要研发新的药物,或验证药物的成分和纯度时,都离不开对分子的化学结构的了解。但是,大多数识别化学结构的技术都是间接的,这就像是你想要一个人的照片,却只能获得他的指纹、一幅素描画,或者牙齿记录一样。在一项新的研究中,两个独立的研究小组运用电子衍射技术,以前所未有的速度绘制出了抗生素、激素以及其他化合的化学结构。

传统的技术可能需要几个月到几年的时间才能确定的结构,现在只需要30分钟到一天的时间便可做到。这个方法有助于法医化学家和体育官员更快地对违禁药物进行识别,并加速制药商找到新的药物。

几十年来,科学家一直使用一种被称为X射线晶体学的技术来推断分子的化学结构。然而,X射线衍射只能作用于较大的晶体(至少有一个维度的尺寸不小于50微米),生成大的晶体却常常是一个耗时数周甚至数月的艰苦过程。

而且,有些分子根本就很难结晶,不可能用这种技术分析它们的化学结构。一种替代方法是用电子束代替X射线。对于尺寸大约为100纳米的晶体,X射线大多会绕过物质,而电子更容易从物质上反弹。因此,可以用电子衍射来分析其分子结构。

最新发表的两篇论文证明了,更小的有机分子结构也可通过电子衍射技术来进行分析。虽然这样的操作并非第一次实现,但新研究的一项重要突破在于,它展示了这种分析是多么高速而简便。

第一篇论文10月16日发表于德国期刊《应用化学·国际版》上,在这篇文章中,瑞士Paul Scherrer研究所的晶体学家Tim Grune领导的研究小组报告称,他们创造了一种设备原型,可以利用电子显微镜的电子束与兼容的探测器来发现小分子的结构。

电子晶体学的一个明显应用是为药物开发指明潜在的候选对象。但Gonen表示,当快速识别物质能够发挥至关重要的作用时,这项技术可能还会应用于取证等许多领域。这项技术已经引起了极大的轰动,但它也有一些局限性。例如,具有不同化学效应的镜像分子,其三维结构完全相同,但是要利用电子衍射来区分这些结构,却非常具有挑战性。区别镜像结构需要进一步开发分析软件。

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