什么是X射线结晶学？

作者：张馨予

原标题：什么是X射线结晶学？

　　大约100年前，在英格兰北部，一对父子进行了一项实验，和科学史上的很多实验一样，尽管这对父子的初衷并非如此，但这项实验却彻底改变了科学家们研究分子的方式。随后，不断有科学家们对这一方法进行修改，精炼，使其日臻完善。但不管面貌如何改变，其始终是科学研究中最重要的工具之一，她就是X射线结晶学。

　　小小餐桌上的伟大实验

　　1913年，英国物理学家威廉·亨利·布拉格和儿子威廉·劳伦斯·布拉格使用餐桌上的精盐（氯化钠）进行了实验，他们准备了一粒洁净的盐晶体并在其上照射X光，结果，在置于其后的印相纸上，出现了一则非常美丽的几何图案。

　　当然，这一实验并非布拉格父子的首创，以前已有人做过类似的事情，但布拉格父子发现了其中的玄妙。他们意识到，对这些点和图案的排列方式进行认真的研究和梳理，或许能获得与盐分子结构有关的信息。随后，劳伦斯·布拉格总结出了一个公式—那就是我们现在所熟知的“布拉格定律”，借用这一公式，他厘清了组成氯化钠的钠和氯原子在盐晶体内的排序方式。他们的实验不仅证实了原子的存在，而且也展示了原子如何结合在一起形成化合物。

　　从那一刻起，原子之间如何相互作用的神秘方式，就处在科学家们的掌控之中了。随后，科学家们踏上了揭示分子结构的征程，一个个伟大的科学发现也接踵而至。

　　“27项诺贝尔奖不可或缺的配方”

　　上世纪，有27项诺贝尔奖被授给直接使用X射线结晶学所获得的发现。对于约克郡出生的布拉格父子的实验产生的重大科学影响，奥地利化学家麦克斯·佩鲁茨的评价最切中肯綮：“27项诺贝尔奖不可或缺的配方”。

　　为什么水在100摄氏度沸腾而甲烷在零下161摄氏度就能沸腾？为什么鲜红如血而碧草青青？为什么钻石坚如磐石而蜡却很柔软？为什么同样遭受锤击，冰川会漂流而铁会变硬？肌肉如何收缩？阳光如何使万物繁茂生长？生物体如何能进化成更复杂的形式等等，所有这些问题的答案都来自于结构分析。

　　1953年，英国物理化学家与晶体学家罗莎琳德·埃尔西·富兰克林使用X射线结晶学，拍摄了DNA晶体衍射图片“照片51号”，这副图片以及关于此物质的相关数据，是詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克解出DNA的双螺旋结构的关键线索，这副照片亦被称为“有史以来最重要的图片”。

　　DNA可能是被X射线所确定的所有结构中，最重要也最为人所熟知的，但它只是被X射线确定的数千个结构之一：从餐桌上的食盐到药品；从各种材料到复杂的大蛋白，对这些结构的了解也促进了我们对生命本身的进化的理解。

　　实验所用晶体越来越小

　　尽管如此，化学家们对X射线结晶学的感情非常复杂，可谓爱恨交织，因为这一技术并非万能，其仍然有一个重大的局限，那就是，这一方法要用到特定品质和大小的晶体。品质好的盐晶体易得，但蛋白质这样复杂分子的晶体则难求，正因如此，很多科学家们的主要工作就是研究如何制造出特定蛋白的高质量晶体。

　　从某种程度上来说，解决晶体问题也成为推动X射线结晶学不断前进的动力。一种解决办法是使用功能更加强大的X射线，就像熊熊燃烧的火炬比蜡烛更明亮一样，X射线光束的能量越多，得到高质量衍射图案所需要的晶体也就越小。

　　100年前，布拉格父子使用的X射线源是类似于灯泡的一块小小的玻璃管，它产生的X射线的强度只够揭示盐晶体的结构；而现代的光源则来自于名为同步加速器的大型粒子加速器，比如英国著名的第三代同步辐射光源“钻石光源”等。这些大型设备可能长达数百米，产生光束的强度为太阳光的数万倍。使用这些不可思议的光束，科学家们能从越来越小的晶体中将其结构提出出来，或许，最终不再需要晶体。