超快“電子相機”拍到解離過程中的質子

科技日報北京10月7日電 (記者張夢然)美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學領導的團隊使用超快電子衍射記錄了氨分子內氫原子的快速運動。該研究利用高能(兆電子伏MeV)電子的優勢來研究氫原子和質子的轉移，相關論文發表在最新一期《物理評論快報》上。

質子轉移驅動著生物學和化學中的無數反應。線粒體是細胞的動力源，而質子泵對線粒體至關重要，因此準確了解其結構在這些反應過程中如何演變非常必要。不過，質子轉移發生在幾飛秒內，速度極快。

想要捕捉質子轉移，可以向分子發射X射線，再利用射線研究分子演化過程中的結構。遺憾的是，X射線僅與電子相互作用，而不與原子核相互作用，因此它不是最靈敏的方法。

為此， SLAC團隊采用了超快電子衍射相機MeVUED。他們利用紫外線照射氨氣，解離或破壞其中一個氫氮鍵，然后發射一束電子穿過它并拍攝衍射電子。

團隊不僅拍攝到氫與氮核分離的信號，還抓拍到分子結構的相關變化。更重要的是，散射的電子以不同的角度射出，因此它們可分離兩個信號。

研究人員表示，在一個實驗中同時擁有對電子敏感和對原子核敏感的雙重能力，非常難得而且非常有用。如果能看到原子解離時最初發生了什么，無論是原子核還是電子首先分離，人們就能回答有關解離反應是如何發生的問題。

這些信息讓科學家越來越接近質子轉移之謎的答案，有助于回答化學和生物學中更多的問題。這一成果還將對結構生物學產生重要影響，因為當前的X射線晶體學和冷凍電子顯微鏡等傳統方法很難“看到”質子。

團隊希望提高電子束的強度并提高實驗的時間分辨率，以便能夠真正了解質子隨時間解離的每一個步驟。