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分子結(jié)構(gòu)成像。中國科學(xué)院近代物理研究所供圖捕捉分子瞬間，就像試圖定格風(fēng)中的塵埃，似乎是個(gè)不切實(shí)際的想法。然而，有這樣一群科學(xué)家，致力于將這一看似不可能的任務(wù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——為分子拍攝高清照片，進(jìn)而揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)與行為的微妙細(xì)節(jié)。近日，中國科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心從事博士后研究的苑航以及研究員許慎躍、馬新文等在分子庫侖爆炸成像領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們利用蘭州重離子加速器提供的高電荷態(tài)離子束流，成功實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜分子的高精度結(jié)構(gòu)成像。這一成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。給神秘分子世界“照相”分子作為構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為對于理解物質(zhì)的性質(zhì)和功能至關(guān)重要。然而，由于分子極其微小且運(yùn)動(dòng)速度極快，想要捕捉清晰的圖像并非易事。因此，分子照相技術(shù)面臨著分辨率和成像速度等多重挑戰(zhàn)。然而，對于致力于揭示分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為的科學(xué)家來說，這是一個(gè)值得追求的目標(biāo)。“經(jīng)過長時(shí)間的研究和探索，我們終于在分子庫侖爆炸成像領(lǐng)域取得了重要突破?！痹S慎躍告訴《中國科學(xué)報(bào)》，庫侖爆炸成像技術(shù)是一種通過剝離分子中的電子使其發(fā)生碎裂，并進(jìn)一步探測碎片動(dòng)量以獲得分子結(jié)構(gòu)信息的方法。與傳統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)預(yù)測方法不同，庫侖爆炸成像技術(shù)不依賴于復(fù)雜的計(jì)算模型或化學(xué)軟件，而是直接通過物理實(shí)驗(yàn)觀測分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)分子被高能離子撞擊后，內(nèi)部電子迅速剝離，瞬間“爆炸”成多個(gè)原子碎片。這些碎片的速度、方向和能量分布等信息，都蘊(yùn)含著分子原始結(jié)構(gòu)的秘密。庫侖爆炸成像技術(shù)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。該技術(shù)問世已經(jīng)近30年，然而，在前25年里，它主要局限于對二氧化碳、甲烷等簡單小分子的研究。這些分子的原子數(shù)量較少、結(jié)構(gòu)相對簡單，因此成像難度較低。對于更復(fù)雜的分子，成像難度則大大增加。近年來，盡管科學(xué)家利用自由電子激光或飛秒激光提供的超強(qiáng)脈沖束，成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)原子組成的復(fù)雜分子的庫侖爆炸成像，但這些方法仍存在明顯的局限?！坝捎诙嘀仉婋x時(shí)間尺度等因素的制約，分子在庫侖爆炸前往往會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，這極大限制了成像精度。特別對于含氫原子的分子體系，測量結(jié)果與分子實(shí)際鍵長之間存在顯著偏差，使得這些技術(shù)難以滿足高精度分子結(jié)構(gòu)成像的需求?！瘪R新文說。高電荷態(tài)離子的“閃電戰(zhàn)”“面對復(fù)雜分子的挑戰(zhàn)，我們團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將蘭州重離子加速器產(chǎn)生的高電荷態(tài)離子當(dāng)作‘炮彈’，對復(fù)雜分子發(fā)起了‘閃電戰(zhàn)’?！痹S慎躍說，在亞飛秒的時(shí)間尺度內(nèi)，高電荷態(tài)離子能夠迅速剝離分子外殼層的多個(gè)電子，引發(fā)庫侖爆炸。這一過程之快，堪比相機(jī)快門一閃，卻能捕捉到分子結(jié)構(gòu)瞬間的“定格”。這一特點(diǎn)使得高電荷態(tài)離子成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子高精度成像的理想工具。在實(shí)驗(yàn)過程中，科研團(tuán)隊(duì)選用了噠嗪、嘧啶和吡嗪3種分子作為模型分子。這3種分子互為同分異構(gòu)體，即分子式相同但結(jié)構(gòu)不同的化合物，因此化學(xué)性質(zhì)也可能截然不同。由于含有碳和氮元素的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在生物體系中十分常見，因此對其結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。研究人員利用蘭州重離子加速器產(chǎn)生的1.35兆電子伏特五價(jià)碳離子束流，對這些分子進(jìn)行了照射。在亞飛秒的時(shí)間尺度內(nèi)，碳離子成功剝離了分子外殼層的10個(gè)以上電子，引發(fā)了劇烈的庫侖爆炸。隨后，科研團(tuán)隊(duì)利用反應(yīng)顯微成像譜儀，對爆炸產(chǎn)生的碎片離子進(jìn)行了符合測量。他們記錄了氫離子、碳二以上烴類、碳基物質(zhì)和氮基正電荷物質(zhì)等碎片離子的動(dòng)量信息，并通過重構(gòu)碎片離子的動(dòng)量分布，成功還原了分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用高電荷態(tài)離子誘導(dǎo)的庫侖爆炸成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜分子中氫原子和較重原子的高精度成像，且成像精度得到了顯著提高。更令人興奮的是，團(tuán)隊(duì)還提出了利用碎片離子角度關(guān)聯(lián)譜作為指紋信息鑒別同分異構(gòu)體的新方法。傳統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)分析方法往往難以有效區(qū)分同分異構(gòu)體，而這項(xiàng)新技術(shù)卻能夠像指紋識(shí)別一樣，通過碎片離子的角度關(guān)聯(lián)譜準(zhǔn)確區(qū)分它們?！霸诜治鲞@些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，我們用到了高中排列組合的知識(shí)。”許慎躍說，“這好比我們給每個(gè)分子打上一枚獨(dú)特的‘指紋’，只要測量這些‘指紋’信息，就能準(zhǔn)確識(shí)別出分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)?！痹S慎躍表示，此次實(shí)驗(yàn)之所以進(jìn)展得如此順利，關(guān)鍵在于團(tuán)隊(duì)長時(shí)間的技術(shù)積累，當(dāng)這些技術(shù)應(yīng)用于分子成像研究時(shí)，幾乎未遇到任何阻礙，為復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)解析以及同分異構(gòu)體研究開辟了全新途徑。揭開自然奧秘?拓展應(yīng)用領(lǐng)域“當(dāng)我們首次利用高電荷態(tài)離子實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子高精度成像時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都沉浸在巨大的喜悅之中。那種通過自己的努力揭開自然奧秘的感覺，是無法用言語表達(dá)的?！痹S慎躍表示。在成功實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜分子的高精度成像后，科研團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了相關(guān)論文，詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)過程、技術(shù)原理、數(shù)據(jù)分析方法、成像結(jié)果等方面的內(nèi)容。這一技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅為復(fù)雜分子的高精度成像提供了可能，也為鑒別同分異構(gòu)體提供了新方法，有望在化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)和制藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。馬新文告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“在化學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)可用于解密復(fù)雜有機(jī)分子的未知結(jié)構(gòu)。在材料科學(xué)領(lǐng)域，該方法有望通過對薄膜或納米材料的局部成像，揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)，推動(dòng)新材料研發(fā)。在生物學(xué)和制藥領(lǐng)域，該技術(shù)非常適合手性分子鑒別，對手性藥物的研發(fā)和生物分子的精確分析具有重要意義，有望為新藥的研發(fā)和疾病的精準(zhǔn)治療提供有力工具?！崩酶唠姾蓱B(tài)離子庫侖爆炸成像技術(shù)，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地測量分子結(jié)構(gòu)、鑒別同分異構(gòu)體，從而推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展。未來，科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化對高電荷態(tài)離子庫侖爆炸成像技術(shù)的研究和應(yīng)用。他們計(jì)劃進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)體系，研究更多復(fù)雜分子的高精度成像方法，并探索該技術(shù)在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。他們還將加強(qiáng)與國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的合作與交流，共同推動(dòng)分子科學(xué)研究的發(fā)展，為探索微觀世界的奧秘貢獻(xiàn)更多智慧和力量。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.193002(原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-12-04?第1版?要聞）