研究人员利用超快 "电子照相机 "捕捉正在解离的质子

氨是由一个氮和三个氢组成的，用紫外线照射氨会导致一个氢从氨中解离出来。SLAC的研究人员使用超快 "电子摄像机 "准确地观察到氢解离时的情况。这项技术曾被提出过，但从未被证明有效，直到现在。将来，研究人员可以利用这种技术研究氢转移--驱动许多生物过程的关键化学反应。资料来源：Nanna H. List/KTH 皇家理工学院

科学家们捕捉到了快速移动的氢原子--无数生物和化学反应的关键。

由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学研究人员领导的研究小组利用超快电子衍射（UED）技术记录了氨分子中氢原子的运动。其他人曾提出利用电子衍射追踪氢原子的理论，但直到现在还没有人成功完成这项实验。

发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的这一成果利用了高能兆电子伏特（MeV）电子的优势来研究氢原子和质子转移，在质子转移过程中，构成氢原子核的奇异质子会从一个分子转移到另一个分子。

质子转移推动了生物和化学中的无数反应--想想帮助催化生化反应的酶和对细胞的动力源线粒体至关重要的质子泵--因此，准确了解质子在这些反应中的结构演变过程将大有裨益。但质子传输的速度超快--只有几飞秒，即十亿分之一秒。要想捕捉到它们的运动过程是很有挑战性的。

一种可能的方法是向分子发射 X 射线，然后利用散射的 X 射线了解分子在演变过程中的结构。可惜，X 射线只与电子而不是原子核发生作用，所以这不是最灵敏的方法。

为了得到他们想要的答案，SLAC 科学家托马斯-沃尔夫（Thomas Wolf）领导的研究小组使用了 SLAC 的超快电子衍射相机 MeV-UED。他们使用了气相氨，氨中有三个氢原子与一个氮原子相连。研究小组用紫外线照射氨，使其中一个氢-氮键离解或断裂，然后发射一束电子穿过氨，捕捉衍射电子。

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，因此他们可以将这两个信号分开。

"沃尔夫说："在同一个实验中，拥有对电子敏感的仪器和对原子核敏感的仪器是非常有用的。"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做出分离的动作--我们就能回答解离反应如何发生的问题。

有了这些信息，科学家们就可以接近质子转移这一难以捉摸的机制，这将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会对结构生物学产生重要影响，而X射线晶体学和冷冻电镜等传统方法很难 "看到 "质子。

今后，研究小组将在 SLAC 的 X 射线激光器--里纳相干光源（LCLS）上使用 X 射线做同样的实验，看看结果会有多大不同。他们还希望提高电子束的强度，改善实验的时间分辨率，以便能够真正分辨质子解离的各个时间步骤。

参考资料

Elio G. Champenois et al, Femtosecond Electronic and Hydrogen Structural Dynamics in Ammonia Imaged with Ultrafast Electron Diffraction, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.143001