自由基是具有未配對(duì)電子的原子或分子，可以對(duì)身體造成嚴(yán)重破壞，自由基就像被拋棄的情人，四處游蕩去尋找另一個(gè)電子，最后留下了破碎的細(xì)胞、蛋白質(zhì)和DNA。羥基自由基是化學(xué)上最具攻擊性的自由基，其存留時(shí)間僅為萬億分之一秒。

當(dāng)細(xì)胞中最豐富的分子水受到輻射，使其失去一個(gè)電子時(shí)，它們就形成了。在之前的研究中，能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家琳達(dá)·楊領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)觀察到了這些自由基的超快誕生。

這一過程在陽光誘導(dǎo)的生物破壞、環(huán)境修復(fù)、核工程和太空旅行等領(lǐng)域具有重要意義。現(xiàn)在研究團(tuán)隊(duì)，包括能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員，已經(jīng)梳理出羥基的獨(dú)特化學(xué)指紋，這將有助于科學(xué)家追蹤它在復(fù)雜生物環(huán)境中引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。在SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)自由電子激光器上：

科學(xué)家們用僅持續(xù)百萬億分之一秒的X射線脈沖，探測到了令人難以置信的短暫的羥基自由基。研究用X射線照射一束薄薄的激光電離水，X射線的能量精確到激發(fā)自由基深處的電子，所以他們跳到了一個(gè)特定的更高軌道上。當(dāng)電子穩(wěn)定回到它們?cè)瓉淼能壍罆r(shí)，其中一小部分會(huì)發(fā)射帶有自由基獨(dú)特簽名或光譜的X射線。研究小組使用新的理論工具精確計(jì)算了這些X射線光譜，并破譯了它們包含的信息。

為了跟進(jìn)，研究小組將研究電離輻射以更高的時(shí)間分辨率，分解水的最初時(shí)刻發(fā)生了什么，以了解更多關(guān)于這一過程的信息。沿著這條路走下去，希望在堿性環(huán)境中研究類似的過程，這些過程既對(duì)基礎(chǔ)感興趣，也對(duì)核廢物修復(fù)等緊迫應(yīng)用感興趣，這需要了解在經(jīng)歷持續(xù)輻射轟炸的儲(chǔ)罐中發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)。共振非彈性X射線散射(RIXS)為研究液體中超快動(dòng)力學(xué)提供了極好的機(jī)會(huì)。

在這里，研究人員用RIXS研究了液態(tài)水中重要的羥基自由基OH(AQ)。純液態(tài)水的脈沖電離產(chǎn)生了一個(gè)短暫OH(Aq)群體，這是用x射線自由電子激光飛秒x射線探測到的。研究發(fā)現(xiàn)，RIXS揭示了被強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移躍遷掩蓋在紫外吸收光譜中的局域電子躍遷，從而為研究水和多相環(huán)境中羥基自由基的電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性提供了一種方法，第一原理計(jì)算提供了主要光譜特征的解釋。

博科園｜研究/來自：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.236001

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