研究人员用超快“电子相机”捕捉质子解离过程

诸平

Irradiating ammonia—which is made up of one nitrogen and three hydrogens—with ultraviolet light causes one hydrogen to dissociate from the ammonia. SLAC researchers used an ultrafast "electron camera" to watch exactly what that hydrogen was doing as it dissociated. The technique had been proposed, but never proven to work, until now. In the future, researchers could use the technique to study hydrogen transfers—critical chemical reactions that drive many biological processes. Credit: Nanna H. List/KTH Royal Institute of Technology

据美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)2023年10月6日提供的消息，研究人员用超快“电子相机”捕捉质子解离过程(Researchers catch protons in the act of dissociation with ultrafast 'electron camera')

上述来源于瑞典皇家理工学院（Kungliga Tekniska Högskolan简称KTH / Royal Institute of Technology）的图片，是用紫外光照射由一个氮(N)和三个氢(H)组成的氨(NH₃)，会使一个氢从氨中分离出来。SLAC的研究人员使用超快的“电子相机”来观察氢解离时的确切情况。这项技术曾被提出，但直到现在从未被证明有效。在未来，研究人员可以使用这项技术来研究氢转移，这是驱动许多生物过程的关键化学反应。

科学家们已经捕捉到了快速运动的氢原子，它是无数生物反应和化学反应的关键。

由美国能源部SLAC国家加速器实验室(Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory)和美国斯坦福大学(Stanford University)的研究人员领导的一个研究小组，使用超快电子衍射(ultrafast electron diffraction简称UED)记录了氨分子中氢原子的运动。另一些人认为他们可以用电子衍射来追踪氢原子，但直到现在还没有人成功地完成这个实验。

相关研究结果于2023年10月5日已经在《物理评论快报》(Physical Review Letters) 杂志网站发表——Elio G. Champenois, Nanna H. List, Matthew Ware, Mathew Britton1, Philip H. Bucksbaum, Xinxin Cheng, Martin Centurion, James P. Cryan, Ruaridh Forbes, Ian Gabalski, Kareem Hegazy, Matthias C. Hoffmann, Andrew J. Howard, Fuhao Ji, Ming-Fu Lin, J. Pedro F. Nunes, Xiaozhe Shen, Jie Yang, Xijie Wang, Todd J. Martinez, Thomas J. A. Wolf. Femtosecond Electronic and Hydrogen Structural Dynamics in Ammonia Imaged with Ultrafast Electron Diffraction. Physical Review Letters, 2023, 131(14): 143001. Published 5 October 2023. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.143001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.143001

研究人员利用高能兆电子伏(Megaelectronvolt简称MeV)电子的力量研究氢原子转移和质子转移，所谓质子转移就是构成氢原子核的单个质子从一个分子移动到另一个分子的过程。

参与此项研究的有来自美国SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, California, USA）、瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology, SE-10044 Stockholm, Sweden）、美国加州斯坦福大学（Stanford University, Stanford, California, USA）美国内布拉斯加州林肯大学（University of Nebraska Lincoln, Lincoln, Nebraska, USA）以及中国北京清华大学（Tsinghua University, Beijing 100084, China）的研究人员。

在生物学和化学中，质子转移驱动着无数的反应，比如酶，它有助于催化生化反应（biochemical reactions）；质子泵，它对线粒体（mitochondria）至关重要，线粒体是细胞的能量来源，所以确切地知道它的结构在这些反应中是如何演变的将会很有帮助。但是质子的转移速度非常快，在几飞秒内（femtoseconds简称fs），1 fs也就是10^-15 s。因此，捕捉它们的活动是很有挑战性的。

一种可能性是向一个分子发射X射线，然后利用散射的X射线来了解分子演变过程中的结构。但是，X射线只与电子而不是原子核（atomic nuclei）相互作用，所以它并不是最灵敏的方法。

为了找到他们一直在寻找的答案，由SLAC科学家托马斯·沃尔夫（Thomas Wolf）领导的一个团队，让SLAC的超快电子衍射相机（SLAC's ultrafast electron diffraction camera）兆电子伏特超快电子衍射（MeV-UED）工作。他们使用了气相氨（NH₃），它有3个氢原子和一个氮原子相连构成。研究小组用紫外光（ultraviolet light）照射氨，使其中一个氢-氮键解离或断裂，然后发射一束电子穿过氨并捕获衍射电子。

他们不仅捕捉到了氢与氮核分离的信号，还捕捉到了分子结构的相关变化。更重要的是，散射的电子以不同的角度射出，所以它们可以分离两个信号。

托马斯·沃尔夫说:“在同一个实验中，对电子敏感的东西和对原子核敏感的东西是非常有用的。如果我们能看到原子解离时首先发生了什么，是原子核还是电子首先分离，我们就能回答解离反应是如何发生的问题。”

有了这些信息，科学家们就可以接近难以捉摸的质子转移机制，这可能有助于回答化学和生物学中的无数问题。了解质子在做什么可能对结构生物学有重要的意义，在结构生物学中，传统的方法，如X射线晶体学（X-ray crystallography）和低温电子显微镜（cryo-electron microscopy）很难“看到”质子。

未来，该小组将在SLAC的X射线激光器，直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source 简称LCLS)上使用X射线进行同样的实验，看看结果有何不同。他们还希望提高电子束的强度，提高实验的时间分辨率，这样他们就可以真正地解决质子随时间分解的各个步骤。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Directly imaging structural dynamics involving hydrogen atoms by ultrafast diffraction methods is complicated by their low scattering cross sections. Here we demonstrate that megaelectronvolt ultrafast electron diffraction is sufficiently sensitive to follow hydrogen dynamics in isolated molecules. In a study of the photodissociation of gas phase ammonia, we simultaneously observe signatures of the nuclear and corresponding electronic structure changes resulting from the dissociation dynamics in the time-dependent diffraction. Both assignments are confirmed by ab initio simulations of the photochemical dynamics and the resulting diffraction observable. While the temporal resolution of the experiment is insufficient to resolve the dissociation in time, our results represent an important step towards the observation of proton dynamics in real space and time.