科学家使用增强型X射线方法捕获难以捉摸的化学反应

SLAC国家加速器实验室的研究人员通过结合两种超快X射线光谱技术，首次捕获了一种称为铁氰化物的分子的最快运动之一。他们认为他们的方法可以帮助绘制更复杂的化学反应，如血细胞中的氧气运输或使用人工光合作用产生氢气。

来自SLAC，斯坦福大学和其他机构的研究小组从现在相当标准的技术开始：他们用紫外线激光和直线加速器相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器产生的明亮X射线击碎铁氰化物和水的混合物。紫外线将分子踢入激发态，而X射线探测样品的原子，揭示铁氰化物的原子和电子结构和运动的特征。

这次的不同之处在于研究人员如何从X射线数据中提取信息。该团队不是只研究一个光谱区域，称为Kβ主发射线，而是捕获并分析了第二个发射区域，称为价到核心，在超快的时间尺度上测量这个区域更具挑战性。结合来自两个区域的信息，该团队能够获得铁氰化物分子演变为关键过渡状态的详细图片。

研究小组表明，铁氰化物在被紫外激光击中后进入中间激发态约0.3皮秒 - 或不到万亿分之一秒。然后，价到核心的读数显示，在这个短暂的兴奋期之后，铁氰化物失去了其分子氰化物“臂”之一，称为配体。然后，铁氰化物要么用相同的碳基配体填充这个缺失的关节，要么用水分子填充不太可能。

“这种配体交换是一种基本的化学反应，被认为发生在铁氰化物中，但没有直接的实验证据证明这个过程的各个步骤，”SLAC科学家和第一作者Marco Reinhard说。“只有Kβ主发射线分析方法，我们将无法真正看到分子从一种状态变为另一种状态时的样子;我们只能清楚地了解这个过程的开始。

“你希望能够复制大自然所做的改进技术并增加我们的基础科学知识，”SLAC高级科学家Dimosthenis Sokaras说。“为了更好地复制自然过程，你必须知道所有的步骤，从最明显的到黑暗中发生的步骤，可以这么说。

在未来，研究小组希望研究更复杂的分子，如血红素蛋白，它们在红细胞中运输和储存氧气 - 但研究起来可能很棘手，因为科学家不了解他们反应的所有中间步骤，Sokaras说。

研究团队在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)和LCLS上改进了他们的X射线光谱技术多年，然后在LCLS的X射线相关光谱(XCS)仪器上结合了所有这些专业知识，以捕获铁氰化物的分子结构变化。该团队今天在Nature Communications上发表了他们的研究结果。

“我们利用SSRL和LCLS来完成实验。如果没有这两个设施和我们的长期合作，我们就无法完成我们的方法开发，“SLAC首席科学家Roberto Alonso-Mori说。“多年来，我们一直在这两个X射线源上开发这些方法，现在我们计划使用它们来揭示以前无法获得的化学反应秘密。