青蒿素是一種有機物,，它的化學結(jié)構(gòu)式如下圖所示：大家可以在這個結(jié)構(gòu)式中看到2個六元環(huán)與1個七元橋環(huán)（注意六元環(huán)不是苯環(huán),，因為雙鍵都打開了；橋環(huán)上的雙氧橋是整個藥物中起主要作用的結(jié)構(gòu),當然這是后來才知道的事情）,，還有3個CH3甲基( 在化學里面,，甲基是沒什么活性的，物質(zhì)的性質(zhì)一般不會由甲基決定 )……

　　這么復(fù)雜的一個結(jié)構(gòu),，化學家是怎么得到這個分子結(jié)構(gòu)的呢,？

　　一開始，這就好像是一個黑箱,。

　　要知道這個結(jié)構(gòu),，首先需要知道這個“青蒿素”分子里含有多少個碳原子,，多少個氫原子，多少個氧原子,，有沒有氮原子,。

　　當時從青蒿里提取出來“青蒿素”這個玩意的時候，只做了人體生物實驗,，認為它對治療瘧疾有效,，但并不清楚這個玩意的化學結(jié)構(gòu)式是什么。這會引起一個問題,，那就是無法進行人工合成——要知道從植物里去提取這個玩意程序很復(fù)雜,，含量很少而且需要提純（因為植物里各種有機物多得很，往往容易眉毛胡子一把抓）,。因為這些原因,，科學家更喜歡做有機合成，而不是純天然提取的,。

　　那么有什么辦法知道它的化學結(jié)構(gòu)式呢,？

　　因為這項工作是在1970年代完成的，當時的中國國情還比較復(fù)雜,，而且儀器設(shè)備也比較簡陋,。我們可以換一種比較現(xiàn)代的語言來介紹一下這個過程。

　　最重要的是要測出這個分子的分子量,，這就需要動用高端的分析化學儀器——有機質(zhì)譜儀,。

　　有機質(zhì)譜儀是測量有機分子質(zhì)量的一種有力武器。

　　這種儀器一般在前端有一個進樣的設(shè)備,，叫做液相色譜儀,，然后通過電噴霧離子化或者化學電離或者激光解吸電離的方式把有機分子帶上電變成離子（為什么有三種離子化的方式這決與我們要檢測的分子有沒有極性，換句話說就是分子結(jié)構(gòu)對稱不對稱）,，然后再導入到質(zhì)譜儀器中——質(zhì)譜儀器內(nèi)部是真空環(huán)境,，所以離子可以在里面飛行，其運動過程基本只受到電場的控制,，而不用考慮空氣分子的碰撞,。

　　質(zhì)譜儀器是怎么知道分子的質(zhì)量的呢？原來,，質(zhì)譜儀里面有一個或者多個“質(zhì)量分析器”可以測量出離子的質(zhì)量,。質(zhì)量分析器一般由四根帶電的金屬圓棒組成，叫做“四極桿”,，兩兩相對,，相對的一組電極帶電相同，所以可以認為是一組,，整個四極桿就好象是一個電容,。它們帶電以后，可以在空間產(chǎn)生一個電場分布——其電勢滿足拉普拉斯方程,。

　　離子在這四極電場里運動,，就好象是在狂風中的大海里的一個小船，只有特定質(zhì)量的船才可以通過這片大?！罅巳菀渍酗L被掀翻,，船太小了容易被海浪吞沒。(離子在四極場中的整個運動方程滿足數(shù)學上描述擺長周期性變化的單擺的運動方程——馬蒂爾方程,。)

　　因為整個“青蒿素”分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，太大了，還可以通過“碰撞室”把它碰成碎片（碰撞室里有惰性氣體,，可以把“青蒿素”撞碎）,，這就好像要研究一輛汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以讓汽車撞墻,，撞破了就可以知道汽車內(nèi)部的發(fā)動機什么的安放位置了,。碰撞室可以告訴我們有機分子的空間結(jié)構(gòu)信息。也就可以告訴我們青蒿素結(jié)構(gòu)信息了,。

　　最后可以通過光譜與核磁共振驗證的方法,，把青蒿素整個化學結(jié)構(gòu)完全定下來。

后記：

　　因為筆者一直從事質(zhì)譜儀器相關(guān)研究,，所以很難想象在缺乏高精尖設(shè)備支持下的科研是怎樣一種狀況,。不得不贊嘆的是，產(chǎn)生于文化大革命時代的“青蒿素”凝聚了一批分析化學家的心血,，他們在簡陋的條件下測出了青蒿素的分子結(jié)構(gòu),，這是了不起的貢獻。因此,，我們也有理由相信,，在未來的中國，隨著大批高精尖儀器的引進與國產(chǎn)化,，硬件障礙和技術(shù)壁壘會大大降低,，我們也期待不遠的將來會誕生更多本土的諾貝爾獎！

作者：張軒中

來源：蝌蚪五線譜