在化学世界里，分子结构可能事关生死，这么说毫不夸张。稍微改变一下化合物的结构，就能把它从一种有效的药物变成一种危险的毒药。因此，了解一种化合物的3D结构，对于确定其生物效应有益还是有害至关重要。

在药物开发世界之外，确定分子的微观结构同样可以帮助我们实现众多目标，从研发制造液晶和OLED显示器所需的超纯化学品，到确定是什么让玫瑰的香气如此迷人。

但传统的分子结构分析技术有其局限性。而这正是我们突破性晶体海绵技术的用武之地。

“在当前的技术水平下，如需确定分子结构，我们必须在所能达到的可靠性和细节水平，与分析所需的材料量之间做以权衡。”达姆施塔特默克创新中心的结晶海绵项目技术负责人Clemens Kühn说。

目前，如果一位研究人员只有微量的材料用于分析（称为分析物），其首选可能是质谱法，因为这只需要使用极少量的化合物就可以完成。

“由此能够获得分子量，还有分子分解时产生的一些碎片。”Kühn继续说道，“如果够幸运，还可以用这样的方式解释数据，即得出分子必须拥有特定结构的结论。但在质谱中，分子的结构会有多种可能，这十分常见。”

这意味着，质谱的结果往往是，研究人员了解了构成化合物的组成部分，但这些碎片却可能以多种方式组合在一起。因此，科研人员虽然能够推测可能的结构，但却没有可靠的方法来确认。

在这种权衡的另一端是传统的X射线晶体分析，它可为研究人员提供化合物的完整结构，并产生实际分子的3D模型，没有任何歧义。

“但在使用这种技术时，有一点必须尤其注意。”Kühn说，“即确保分析物以单晶的形式存在。而要想让它结晶，就需要更多的量。一般情况下，只有当拥有几毫克或更多分析物的时候，才能采用此方法。”

对于不容易生长为合适晶体的液体或挥发性化合物，X射线晶体分析同样很难进行。

“其他技术，如核磁共振（NMR）光谱法介于两者之间。”Kühn继续说道，“没有一项传统方法可以在只有少量可用分析物的情况下，提供完整的3D结构。”

2013年，由藤田诚教授领导的日本科学家团队在《自然》[1]杂志上发表了一篇论文，引起国际轰动。他们有史以来第一次使用X射线晶体分析来确定化合物的结构，而不需要等待该化合物生长成晶体。

为此，藤田教授的团队使用了一种金属有机框架（MOF）[2]，这是一种超多孔性固体，即“结晶海绵”。藤田教授的团队将这些海绵晶体——直径约十分之一毫米的微小晶体——与他们想要分析的化合物“浸泡”在一起，令海绵吸收目标分子。

“这种海绵晶体框架具有较大的开放孔隙，同时也具有高度的机械灵活性。”Kühn解释说，“所以，如果把它暴露在未知分子的溶液中，那么它就会像我们所说的那样，‘吸收’并将这些化合物排列在晶体结构中。由此即可形成原始海绵框架复合物，未知分子则置于晶格的空隙中。”

藤田教授的团队展示了，当分析物被排列在晶体中后，就可以用传统的X射线晶体分析方法确定其结构——整个过程完全不需要将化合物本身生长为晶体。 

最关键的是，他们还发现，使用这种方法确定结构只需要极少量的分析物。该论文报告说，他们仅用一微克的化合物就清晰确定了一种稀缺海洋天然产物的结构。[1]

继2013年首篇论文引起轰动后，藤田教授团队发表了多篇后续论文，展示了结晶海绵技术的不同应用。没过多久，我们的科技探索团队就与藤田教授的团队取得了联系，开始探讨如何进一步发展晶体海绵技术。

经过前期的探索阶段，创新中心在2018年初成立了项目组，旨在将技术转化为可行的新业务。

“这是对该技术商业化的首次尝试。”该项目商业化负责人Wolfgang Hierse说，“我们是第一家开始围绕它开展业务搭建的公司。”

我们的创新中心使项目能够在类似于初创企业的环境中运作，但又可获得整个公司的支持。自项目成立以来，团队一直致力于发掘晶体海绵技术的整体应用潜力。

“尝试将原始想法或方法发展为能对现实世界产生影响的成果，着实令人激动。”Hierse充满热情地说道，“我们不知道这段旅程究竟会通向何方，但我们要把握这次机会，塑造和推动可能对许多不同研发领域产生巨大影响的成果。”

“我们现在可以使用比以前少得多的分析物来对物质进行识别和可视化。”Hierse继续说道，“而正是这开启了全新的探索领域。到目前为止，我们只对身边化学反应的一小部分有所了解。而借助这项技术，我们获得了一种有助于揭示令人兴奋的分子世界的方法。”

该团队与科学分析仪器领域的龙头企业日本理学株式会社密切合作。

“我们认识到，我们需要最新X射线衍射技术的支持。”Hierse解释说，“我们无法自主生产，因此理学株式会社很明显是我们的首选合作伙伴。当然，他们也非常感兴趣，因为其同样认识到结晶海绵技术的潜力，但需要一位合作伙伴来展开生产。所以我们集结双方力量，对两家公司来说，都是一次非常有机、非常富有成效的合作。”

这项技术可能会对研发领域产生深远的影响，在Hierse看来，这么说绝不夸张。也许最重要的是，它会对药品的研发产生很大的影响。 

药物代谢物是人体将药物分解或代谢成不同物质的副产品。有时，代谢产物会有毒性，并可能造成不良影响。所以，研究人员在开发新药时，必须在展开人体测试之前，对这些代谢物进行彻底的探索。

以前，这种对代谢物的探索只能在开发过程相当后期进行，因为传统结构测定方法需要有足够的材料，才能实施分析。

“在与医药健康部门同事的密切合作下，我们已经证明可以在早期发展阶段利用结晶海绵识别代谢物。”Hierse介绍说。

2019年初发表的一篇论文中对这些研究结果进行了介绍[3]，并在2020年[4]进行了后续跟踪研究，对整个行业具有重要意义。人类代谢物的完整结构鉴定在早期药物研究中起着关键作用。在这个发展阶段，只会产生低量（纳米级）的代谢物，因此NMR光谱等方法并不适用。

而结晶海绵法只需要极少量的代谢物就可以完成分析，所以有可能弥补这一缺陷。

“在我看来，也许还需十年左右的时间，制药公司便可利用这种方法，将代谢物分析和代谢毒理分析从临床前阶段直接转移到更早的药物研发阶段。”Hierse继续说道，“这将会产生巨大的影响，大大改善药品开发的风险管理，并降低新药开发成本。”

但不仅仅是药物开发可以从晶体海绵技术中获益。

“我们已经了解到，其他领域，例如香精和香料生产公司同样对这一技术抱有巨大兴趣。”Hierse说,“他们希望对植物、水果等的芳香油进行研究，找出某种气味或味道背后的根源。这些都是自然界产生的复杂混合物，每一种微量成分都代表着某种独特的气味。所以，确定这些天然气味背后的根源与其中的化合物，有助于实现对这些进行开发和复制。”

通常，这些类型的化合物挥发性太强，无法用传统的X射线晶体分析进行结晶和测量，但结晶海绵已经证明了其在这一研究领域的有效性。

“通过使用晶体海绵技术，我们的合作伙伴理学株式会社实现了对负责赋予日本芥末独特味道的分子的可视化。”Hierse解释说，

“简单来说就是，他们把晶莹剔透的海绵放入一个小玻璃杯中，再加入一块日本芥末，并令其孵化一段时间。然后，当他们把结晶海绵拿出来放在X射线衍射机上，就能识别出哪种化合物产生了这种刺鼻的气味。该化合物的身份已经为人所知，但他们第一次在X射线衍射机中真正看到了这一化合物的真面目。这就是全过程。”

生物活性研究并非结晶海绵唯一可以发挥作用的领域。在高性能材料和高性能电子领域，人们对这项新技术同样十分感兴趣：

以液晶显示器为例，这些含有多种有机化合物的混合物，根据显示器的类型及其所需的性能水平会有所不同。然而，液晶分子能够以不同异构体形式存在，这些异构体很难用常规的化学结构测定方法，如核磁共振（NMR）来识别。

利用结晶海绵技术，科学家可以准确明了地证明液晶混合物中使用的新型化合物的化学结构。

同理，借此还可以识别会影响显示器和电子设备技术性能的化学杂质。

“我们相信，结晶海绵肯定能在这一领域带来变革。”Hierse坚定地说道，“例如，用于制造OLED屏幕或半导体的化学品中的某些杂质会影响其技术性能。结晶海绵技术具有识别这些杂质的能力，即使只有微量的杂质也不在话下。”