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历数诺贝尔化学奖中的分析测试技术与仪器成果
Jack 2015-01-22 来源: 搜狐
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OFweek仪器仪表网讯:诺贝尔奖项从1901年12月10日首次颁发至今已走过114年,作为世界上公认的含金量最高的科学奖项,年年五大奖项揭晓前后都引得全球瞩目。诺贝尔化学奖的历程可谓是分析测试行业的时代缩影,是一代代科研工作者试水、试错、不断创新突破的成果掠影。小编在此为您历数百年诺奖--化学奖中体现、运用、创立的分析测试技术和分析仪器。

1922年

弗朗西斯·阿斯顿 Francis William Aston  英国

“使用质谱仪发现了大量非放射性元素的同位素,并且阐明了整数法则”

弗朗西斯·阿斯顿成功研制了第一台质谱仪,并相继制出性能更高的第二和第三部。借助这些具备电磁聚焦性能的质谱仪,他鉴别出至少212种天然同位素。通过对大量同位素的研究,他阐述了“整数法则”,即:除了氢以外的所有元素,其原子质量都是氢原子质量的整数倍。并且,通过质谱分析,他解释了造成实际值与上述法则偏差的原因是同位素的存在。

1926 年

特奥多尔·斯韦德贝里Theodor Svedberg   瑞典

“采用超速离心机,用于分散体系的研究”

1924年T.Svedberg研制出世界上第一台涡轮超速离心机,并用于高分散胶体物质的研究。第一次测定了蛋白质的分子量。到了1940年,斯韦德贝里发明的超速离心机可产生30万倍于重力加速度g的加速度,可直接测定从几万到几百万那样大小的分子量,并可测出分子量的分布。

 

1934年

哈罗德·克莱顿·尤里Harold Clayton Urey  美国

“发现氘(重氢,氢的同位素)”

1931年年底,美国哥伦比亚大学的尤里教授和他的助手们,在蒸发了大量液体氢之后,利用光谱检测的方法,在氢原子光谱的谱线中,得到一些新谱线,它们的位置正好与预期的质量为2的氢谱线一致,从而发现了重氢。尤里教授对它定了一个专门名,称“deuterium”(中文译为“氘”,符号“D”)。经过他的研究,使同位素的分离开始有了化学方法。

1952年

阿彻·约翰·波特·马丁Archer John Porter Martin   英国

理查德·劳伦斯·米林顿·辛格 Richard Laurence Millington Synge   英国

“发明了分配色谱法”

1941年,Martin和Synge采用水分饱和的硅胶为固定相,以含有乙醇的氯仿为流动相,成功分离乙酰基氨基酸,这就是现在常用的分配色谱。在获得成功之后,马丁和辛格的方法被广泛应用于各种有机物的分离。

分配色谱法是利用固定相与流动相之间对待分离组分子溶解度的差异来实现分离。分配色谱的固定相一般为液相的溶剂,依靠图布、键合、吸附等手段分布于色谱柱或者担体表面。分配色谱过程本质上是组分分子在固定相和流动相之间不断达到溶解平衡的过程。1951年,Martin和James报道了用自动滴定仪作检测器分析脂肪酸,创立了气-液色谱法。

 

1959年

雅罗斯拉夫·海罗夫斯基Jaroslav Heyrovsky捷克

“发现并发展了极谱分析法”

1922年,海洛夫斯基以发明极谱法而闻名于世。极谱法(polarography),电化学分析的一种,是以滴汞电极为阴极的特殊的电解分析,通过测定电解过程中所得到的极化电极的电流-电位(或电位-时间)曲线来确定溶液中被测物质浓度。凡是能被还原或氧化的无机或有机物质,都可应用极谱分析。

1924年,海洛夫斯基与志方益三合作,制造了第一台极谱仪。极谱法具有迅速、灵敏的特点,绝大部分化学元素都可以用此法测定。此法还可以用于有机分析和溶液反应的化学平衡和化学反应速率的研究。1941年海洛夫斯基将极谱仪与示波器联用,提出示波极谱法。著作有《极谱法在实用化学中的应用》和《极谱学》等。

1982年

阿龙·克卢格Sir Aaron Klug  英国

“发展了晶体电子显微术,并且研究了具有重要生物学意义的核酸-蛋白质复合物的结构”

七十年代初,他从研究单一结构的病毒转移到研究动物细胞中的一些结构。较近一段时间里,他及其研究小组又进一步研究色质(即核酸蛋白质的复合物)的结构。由于染色质是一个大分子聚集体,其体积太大,甚至用克卢格方法都无法直接对它进行结构测定。克卢格及其合作者成功地把染色质分成小到足以用x射线衍射和电子显微镜加以研究的若干片断。根据片断获得的结构信息构成了一个染色体的整个模型。

1991年

理查德·R·恩斯特 Richard R。Ernst 瑞士

“对核磁共振波谱学实现和发展傅里叶变换、多维技术”

1966年发明傅里叶变换核磁共振分光法,从而使核磁共振波谱学成为确定溶液中分子结构的一种方法。分析灵敏度比通常的方法提高10-100倍,且所需时间也可减少到百分之一,充分提高分析精度。核磁共振分光法已成为实验室常用的分析工具。

70年代,恩斯特针对一维核磁共振技术的不足之处,利用脉冲技术发明了二维核磁共振技术,所描绘的核磁图谱含有两个变量。从二维核磁共振图谱中,所得到的化合物分子结构的信息将是一维核磁共振图谱的几倍。这是恩斯特在发展高分辨率核磁共振分光法技术方面的又一重大突破。

 

1996年

罗伯特·柯尔Robert Floyd Curl  Jr   、理查德·埃利特·斯莫利Richard Errett Smalley    美国

哈罗德·克罗托 Harold Kroto   英国

“发现富勒烯”

1983年,克罗托蒸发石墨棒产生的碳灰的紫外可见光谱中发现215nm和265nm的吸收峰,他们称之为“驼峰”;1984年,富勒烯的第一个光谱证据是在1984年由美国新泽西州的艾克森实验室的罗芬等人发现的,当时他们使用由理查德·斯莫利设计的激光汽化团簇束流发生器,用激光汽化蒸发石墨,用飞行时间质谱发现了一系列Cn(n=3,4,5,6)和C2n(n>=10)的峰,而相距较近的C60和C70的峰是最强的,但是他们不认为这是C60等团簇产生的。1985年,克罗托和理查德·斯莫利、罗伯特·柯尔等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60,并推测这个团簇是球状结构。

富勒烯的主要发现者们受建筑学家巴克敏斯特·富勒设计的加拿大蒙特利尔世界博览会球形圆顶薄壳建筑的启发,认为C60可能具有类似球体的结构,因此将其命名为巴克明斯特·富勒烯(buckminster fullerene),简称富勒烯(fullerene)。

1999年

艾哈迈德·泽维尔Ahmed H.Zewail  埃及

“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”

80年代末,泽维尔教授做了一系列试验,他用可能是世界上速度最快(用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光)的照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。

他创立的这种物理化学被称为飞秒化学(1飞秒=千万亿分之1秒),即应用飞秒激光(超短激光)闪光成相技术观测到分子中的原子在化学反应中如何运动,从而有助于理解和预期重要的化学反应。涉及时间间隔短至约千万亿分之一秒,即1飞秒,这也就是名称的来源。

 

2002年

约翰·贝内特·芬恩 John Bennett Fenn   美国

田中耕一 Koichi Tanaka  日本

“发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法,建立了软解析电离法对生物大分子进行质谱分析”

传统质谱测定分析法只能用于分析小分子和中型分子,而生物大分子比较脆弱,在拆分和电离成团的生物大分子过程中结构和成分很容易被破坏。美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一发明了殊途同归的两种方法,都成功地使生物大分子相互完整地分离,同时也被电离。

约翰·芬恩运用电喷雾质谱技术(Electron Spray Ionization-ESI)对成团的生物大分子施加强电场;田中耕一采用软激光解吸附质谱技术(Soft laser desorption-SLD)用激光轰击成团的生物大分子,现今多项激光解吸附应用技术都是软激光解吸附质谱测定法原理的“产物”。

 

同年,还有一位获奖者

库尔特·维特里希 Kurt Wiithrich 瑞士

“发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法,建立了利用核磁共振谱学来解析溶液中生物大分子三维结构的方法”

运用此方法可对溶液中的蛋白质进行分析,进而可对活细胞中的蛋白质进行分析,获得“活”蛋白质的结构,意义非常重大。

2014年

埃里克·贝兹格Eric Betzig、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔William Esco Moerner   美国

斯特凡·W·赫尔 Stefan W. Hell   德国

突破了光学显微镜的极限,在超高分辨率荧光显微镜领域取得了重要成就

长久以来,人们使用光学显微镜来观察微小物体,可是却无法观测小于0.2微米的物体。贝兹格等人发明的技术利用荧光分子,给微小物体做上标记,让它们在显微镜下变得轮廓清晰,可以看到生物细胞内纳米级别的粒子运动情况,成功使得一类非常重要的光学显微镜——荧光显微镜的分辨率突破了0.2微米的“阿贝极限”。

但这并不意味着阿贝极限被推翻。阿贝极限仍然成立,只不过这些新的技术巧妙地绕过了这个极限的障碍,或者说挣脱了这个极限的束缚。就好比地球有引力,但乘坐宇宙飞船却可以摆脱地球引力的束缚飞入太空。

细数到2014年,创新科技离我们距离越来越近,我们便成了见证者。这些技术和仪器设备,有些是科学家付诸一生的心血,有些则阴差阳错是个“美丽的错误”。他们创造的方法走进实验室、助力于每一项细化的分析检测工作,得益于这些前人,现今的科研工作者才可以站在巨人的肩膀上再作衍生与突破;走出实验室,技术与方法融入到各行业中,大到工业生产,小到临床诊断,那也就走进了大众生活,这也更加印证了其创新价值和时代意义。

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