化学结晶学中X射线晶体分析方法的新突破

诸平

X射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。更准确地说，利用电子对X射线的散射作用，X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得原子的位置信息，即晶体结构。由于所有的原子都含有电子，并且X射线的波长范围为0.001－10 nm，其波长与成键原子之间的距离（0.1~0.2 nm附近）可比，因此X射线可用于研究各类分子的结构。但是，到目前为止还不能用X射线对单个的分子成像，因为没有X射线透镜可以聚焦X射线，而且X射线对单个分子的衍射能力非常弱，无法被探测。而晶体（一般为单晶）中含有数量巨大的方位相同的分子，X射线对这些分子的衍射叠加在一起就能够产生足以被探测的信号。从这个意义上说，晶体就是一个X射线的信号放大器。X射线晶体学将X射线与晶体学联系在一起，从而可以对各类晶体结构进行研究，特别是蛋白质晶体结构。但是这种方法的局限性就是必须首先得到待测定物质的单晶，然后才有可能进行晶体结构研究，对于那些无法得到或者所得晶体微乎其微的物质而言，X射线衍射法分析就显得无能为力。

但是东京大学（University of Tokyo）Makoto Fujita教授领导的研究小组与芬兰捷瓦斯基拉大学（University of Jyväskylä）Kari Rissanen教授合作完成了一项研究成果，在单晶X射线分析研究方面已经取得了根本性的突破——Yasuhide Inokuma, Shota Yoshioka, Junko Ariyoshi, Tatsuhiko Arai, Yuki Hitora, 

Kentaro Takada, Shigeki Matsunaga, Kari Rissanen & Makoto Fujita. 

X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes. 

Nature,  Volume: 495, Pages: 461–466. Date published: 28 March 2013. doi: 10.1038/nature11990.

他们克服了X射线分析确定晶体分子结构必须使用单晶的局限性，完全颠覆传统的X射线单晶衍射(SCD)分析方法，创建了一种SCD分析的新方法，而且并不需要靶分子结晶。在这种方法中,一种非常小的多孔复合晶体从溶液中吸收目标分子,使被吸附的客体（目标分子）与主体框架结构一并进行晶体分析。仅用边长0.1 mm的晶体（0.1×0.1×0.1 mm）即可进行SCD分析，需要目标分子的质量可低至80 ng。Makoto Fujita教授和Kari Rissanen教授的研究报告，测定了稀缺海洋天然产物的结构，仅仅使用了5 µg的样品。对于化学家而言，许多自然的或者人工合成的化合物因为数量太少，此前根本无法进行分析测试，不得不选择放弃研究，但是，现在不同了，通过采用这种新方法可以轻松而精确地进行晶体结构研究。更多信息敬请浏览物理学家组织网（Phys.org）2013年4月5日的报道，或者日本和芬兰相关大学的网站、芬兰科学院网站（Academy of Finland）等报道，也可以直接浏览原文（见上述）。