牛津仪器原子力显微镜实空间分辨分子键
2013年11月26日

来自国家纳米科学中心的裘晓辉博士使用QPlus原子力显微镜,在低温状态下进行了实空间分辨8-羟基喹啉(8-hq)的分子构型研究,早在11月1日,美国《Science》杂志已经以论文形式正式发表了该项成果。该研究基于牛津仪器Omicron NanoScience提供的UHV LT扫描探针显微镜平台,使用Qplus AFM探针,在5K低温进行探测。原子分辨的探测可以精确研究8-羟基喹啉中氢键的网络结构,包括键的位置、方向以及长度。该工作中所使用的直接实空间探测分子键技术将会给复杂分子结构的研究带来新的方向。

摘自人民日报的信息:

新华社北京记者22日从中国科学院国家纳米科学中心获悉,通过利用改进的非接触原子力显微镜,由中科院国家纳米科学中心研究员裘晓辉等组成的研究团队,近日在世界上首次得到了分子间氢键的实空间图像。还精确解析了分子间氢键的构型,实现了对氢键键角和键长的直接测量。这为科学家理解氢键的本质,进而改变化学反应和分子聚集体的结构奠定了基础。

摘自光明日报的信息

中科院国家纳米科学中心22日宣布,该中心科研人员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”,实现了氢键的实空间成像,为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。这为科学家理解氢键的本质,进而改变化学反应和分子聚集体的结构奠定了基础,也为科学家在分子、原子尺度上的研究提供了更精确的方法。

这一成果发表在日前出版的《科学》杂志上,被评价为“一项开拓性的发现,真正令人惊叹的实验测量”“是一项杰出而令人激动的工作,具有深远的意义和价值”。

这项研究是由国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队,以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作完成的。

裘晓辉解释说,氢键是自然界中最重要、存在最广泛的分子键相互作用形式之一,对物质和生命有至关重要的影响——因为氢键的存在,水才在常温下呈液态,冰才能浮在水面上;也因为氢键的存在,DNA才会“扭”成双螺旋结构;很多药物也是通过和生命体内的生物大分子发生氢键相互作用而发挥效力。

人类对氢键的研究历史最早可以追溯到19世纪后半叶,但自从诺贝尔化学奖得主鲍林在1936年提出“氢键”这一概念后,化学家们就一直在争论:氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用,还是存在有部分的电子云共享?直到目前为止,关于氢键的本质还无定论,也从来没有人真正地看到过氢键。

裘晓辉带领的研究团队对一种专门研究分子、原子内部结构的显微镜——非接触原子力显微镜进行了核心部件的创新,极大提高了这种显微镜的精度,终于首次直接观察到氢键,为争论提供了直观证据。

“利用改造之后的显微镜,我们可以看到头发丝百万分之一那么微小的结构。”裘晓辉说,“我们团队的研究人员手工制作了显微镜的探针、自制了核心部件‘高性能qPlus型力传感器’等,这就像给汽车换上了我们自己制造的发动机,让这台仪器的关键技术指标达到国际上该领域的最高水平。”

“通俗来说,相当于以前可以从太空中看到地面的人排成一行,现在是第一次看到原来这些人之间是手拉着手。”裘晓辉同时表示,对氢键特性的精确实验测量,如作用位点、键角、键长以及单个氢键强度,不仅有助于理解氢键作用的本质,这些在原子、分子尺度上关于物质结构和性质的信息对于功能材料及药物分子设计有着非常重要的意义。

“‘看到’只是第一步,关于氢键的研究还有很长的路要走,比如氢键的‘测量’、不同分子间氢键的‘比较’等等。”程志海说,科研团队的研究还会拓展至其他关键化学键的研究,比如共价键、离子键、金属键等,以及进一步在原子、分子尺度上实现不同化学键的比较和强度测量等。

以上信息来自人民日报, 光明日报,《科学》杂志。

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