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从质谱的角度谈屠呦呦得诺贝尔奖的“青蒿素”
作者:张轩中   来源:蝌蚪五线谱   日期:2015-10-15
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有机质谱仪是确定青蒿素结构的一种有力武器。
 

  2015年10月5日的傍晚,中国科学家屠呦呦因为“青蒿素”得诺贝尔奖的新闻一下子刷满了微信朋友圈。

 

  青蒿素?这又是什么鬼?

 

  青蒿素是一种有机物,它的化学结构式如下图所示:大家可以在这个结构式中看到2个六元环与1个七元桥环(注意六元环不是苯环,因为双键都打开了;桥环上的双氧桥是整个药物中起主要作用的结构,当然这是后来才知道的事情),还有3个CH3甲基( 在化学里面,甲基是没什么活性的,物质的性质一般不会由甲基决定 )……

 

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  这么复杂的一个结构,化学家是怎么得到这个分子结构的呢?

 

  一开始,这就好像是一个黑箱。

 

  要知道这个结构,首先需要知道这个“青蒿素”分子里含有多少个碳原子,多少个氢原子,多少个氧原子,有没有氮原子。

 

  当时从青蒿里提取出来“青蒿素”这个玩意的时候,只做了人体生物实验,认为它对治疗疟疾有效,但并不清楚这个玩意的化学结构式是什么。这会引起一个问题,那就是无法进行人工合成——要知道从植物里去提取这个玩意程序很复杂,含量很少而且需要提纯(因为植物里各种有机物多得很,往往容易眉毛胡子一把抓)。因为这些原因,科学家更喜欢做有机合成,而不是纯天然提取的。

 

  那么有什么办法知道它的化学结构式呢?

 

  因为这项工作是在1970年代完成的,当时的中国国情还比较复杂,而且仪器设备也比较简陋。我们可以换一种比较现代的语言来介绍一下这个过程。

 

  最重要的是要测出这个分子的分子量,这就需要动用高端的分析化学仪器——有机质谱仪。

 

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  有机质谱仪是测量有机分子质量的一种有力武器。

 

  这种仪器一般在前端有一个进样的设备,叫做液相色谱仪,然后通过电喷雾离子化或者化学电离或者激光解吸电离的方式把有机分子带上电变成离子(为什么有三种离子化的方式这决与我们要检测的分子有没有极性,换句话说就是分子结构对称不对称),然后再导入到质谱仪器中——质谱仪器内部是真空环境,所以离子可以在里面飞行,其运动过程基本只受到电场的控制,而不用考虑空气分子的碰撞。

 

  质谱仪器是怎么知道分子的质量的呢?原来,质谱仪里面有一个或者多个“质量分析器”可以测量出离子的质量。质量分析器一般由四根带电的金属圆棒组成,叫做“四极杆”,两两相对,相对的一组电极带电相同,所以可以认为是一组,整个四极杆就好象是一个电容。它们带电以后,可以在空间产生一个电场分布——其电势满足拉普拉斯方程。

 

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  离子在这四极电场里运动,就好象是在狂风中的大海里的一个小船,只有特定质量的船才可以通过这片大海——船太大了容易招风被掀翻,船太小了容易被海浪吞没。(离子在四极场中的整个运动方程满足数学上描述摆长周期性变化的单摆的运动方程——马蒂尔方程。)

 

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  因为整个“青蒿素”分子结构复杂,太大了,还可以通过“碰撞室”把它碰成碎片(碰撞室里有惰性气体,可以把“青蒿素”撞碎),这就好像要研究一辆汽车的内部结构,可以让汽车撞墙,撞破了就可以知道汽车内部的发动机什么的安放位置了。碰撞室可以告诉我们有机分子的空间结构信息。也就可以告诉我们青蒿素结构信息了。

 

  最后可以通过光谱与核磁共振验证的方法,把青蒿素整个化学结构完全定下来。

 

  后记:

 

  因为笔者一直从事质谱仪器相关研究,所以很难想象在缺乏高精尖设备支持下的科研是怎样一种状况。不得不赞叹的是,产生于文化大革命时代的“青蒿素”凝聚了一批分析化学家的心血,他们在简陋的条件下测出了青蒿素的分子结构,这是了不起的贡献。因此,我们也有理由相信,在未来的中国,随着大批高精尖仪器的引进与国产化,硬件障碍和技术壁垒会大大降低,我们也期待不远的将来会诞生更多本土的诺贝尔奖!

 

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