双重轰击揭示了水分子如何分裂的详细动态

一个国际研究小组利用欧洲X射线自由电子激光（XFEL）的SQS仪器，对生物组织中如何发生辐射损伤有了新的认识。该研究详细揭示了水分子如何被高能辐射击碎，产生潜在的危险的带电离子，这些离子可能继续在生物体内引发有害反应。由巴黎索邦大学的Maria Novella Piancastelli和Renaud Guillemin、DESY的Ludger Inhester和欧洲XFEL的Till Jahnke领导的团队在科学杂志《Physical Review X》上介绍了其观察和分析结果。

在吸收了一个X射线光子后，水分子可以弯曲起来，以至于只经过大约10飞秒(四亿分之一秒)，两个氢原子(灰色)就会面对面，氧原子(红色)在中间。这种运动可以通过吸收第二个X射线光子来研究。资料来源：DESY, Ludger Inhester

由于水存在于每个已知的生物体中，所谓的水光解通常是辐射损伤的起点。“然而，高能辐射在体内引发的连锁反应仍未被完全理解。”Inhester 解释说，“例如，即使只是观察吸收高能辐射时水中单个离子和自由基的形成，也已经非常困难。”

为了研究这一系列事件，研究人员用来自 X 射线激光的脉冲轰击单个水分子。这些脉冲非常强烈，以至于在许多情况下不仅是一个，而是两个或更多的X射线光子被吸收。第二个光子的吸收使研究小组得以一瞥吸收 X 射线光后分子内部发生的情况。

“在两次吸收事件之间发生的分子原子的运动在分子的碎片模式中留下了清晰的指纹，换句话说，分子的碎片以一种非常具体的、特有的方式飞散。”皮安卡斯特利说，“通过仔细分析这个指纹，并使用详细的模拟，我们能够得出关于水分子在吸收第一个 X 射线光子后的超快动力学的结论。” 这使科学家们能够以胶片的形式记录水分子的分解过程，这种分解过程仅持续了几飞秒(千万亿分之一秒)。

研究表明，水分子的分解可能比最初预期的要复杂得多。水分子 (H 2 O) 在最终破裂之前开始拉伸和膨胀。仅仅过了十飞秒，两个氢原子(H)，通常以104度的角度与氧原子(O)相连，可以建立如此大的动量，以大约180度的角度面对对方。结果，当分子分裂时，氧原子实际上并没有被猛烈甩开，因为两个氢原子核的动量在它们飞离时基本上相互平衡，使氧实际上处于静止状态。在水性环境中，这很容易导致进一步潜在的有害化学反应。

"在我们的研究中，我们首次成功地仔细观察了水分子吸收高能辐射后的动态，"在自由电子激光科学中心(CFEL)工作的Inhester说，该中心是德国电子同步加速器中心（DESY）、汉堡大学和马克斯-普朗克协会之间的合作。"特别是，我们能够更精确地描述氧和氢离子及自由基的形成，以及这一过程随着时间的推移而展开的方式。水分子的这种解体是最终导致辐射损伤的进一步反应链中的重要的第一步"。

该分析增加了辐射对水影响的总体情况。此前有同一团队的一些成员参与的一项研究探讨了能量较小的辐射在水中形成所谓自由基的详细动态。在那里观察到的过程与现在调查的高能辐射吸收中的次级过程具有类似的动态。新获得的见解解决了关于水中反应动力学的基本问题，这些问题将在分子水科学中心(CMWS)进一步研究，该中心目前正在与DESY的国际合作伙伴建立。

“对单个水分子的实验是我们在 SQS 使用新型 COLTRIMS 反应显微镜进行的首批实验之一。这些结果表明，我们还将能够研究具有更复杂结构的其他溶剂和分子，例如乙醇或环状化合物，它们在化学和其他学科中非常有趣，”Till Jahnke 说。

参与本次研究的研究人员来自美因河畔的法兰克福大学、弗莱堡大学、汉堡大学和卡塞尔大学以及瑞典的哥德堡大学、隆德大学和乌普萨拉大学、芬兰的图尔库大学、马克斯-普朗克协会的弗里茨-哈伯研究所和马克斯-普朗克核物理研究所、美国的劳伦斯伯克利国家实验室和堪萨斯州立大学、意大利的国家研究委员会和米兰技术大学、巴黎索邦大学、欧洲XFEL和DESY。