基础科学研究所 激光脉冲引发金三聚体配合物中的成键反应，x射线散射图像检测到一定时间延迟后的三维结构
信用:IBS 靶向抗癌药物通过在癌细胞和参与癌症生长和扩散的特定分子靶点之间建立紧密的联系来发挥作用
这种化学键合位点或途径的详细图像可以提供使癌基因治疗的功效最大化所必需的关键信息
然而，一个分子中的原子运动从来没有在这个过程中被捕获过，即使是一个极其简单的分子，比如一个只有三个原子组成的三原子分子
由韩国基础科学研究所(IBS)的Ihee Hyotcherl(KAIST化学系教授)领导的一个研究小组与KEK材料结构科学研究所(日本KEK IMSS)、RIKEN(日本)和韩国浦项加速器实验室(PAL)的科学家合作，报告了通过跟踪分子中实时原子位置对化学键诞生时刻的直接观察
“我们最终成功捕捉到了金三聚体中化学键形成的持续反应过程
飞秒分辨率的图像显示，这种分子事件发生在两个不同的阶段，而不是像以前假设的那样同时发生，”该项研究的相应作者、副主任Ihee Hyotcherl说
“金三聚体复合物中的原子即使在化学键合完成后仍保持运动
原子之间的距离周期性地增加和减少，表现出分子振动
Ihee补充道:“这些可视化的分子振动让我们能够命名每个观察到的振动模式的特征运动。”
原子在飞秒(飞秒)的尺度上运动得非常快——一秒钟的几十亿分之一
这个运动在埃的级别上是微小的，等于一米的十亿分之一
在反应中间体在瞬间从反应物转变为产物的过渡状态中，它们尤其难以捉摸
研究小组通过使用飞秒x光液相成像(溶液散射)使这项实验性的挑战性任务成为可能
这项实验技术结合了激光光解和x光散射技术
当激光脉冲击中样品时，x光散射并引发金三聚体络合物中的化学键形成反应
从一种叫做x光自由电子激光器(XFEL)的特殊光源获得的飞秒x光脉冲被用来研究键的形成过程
实验是在XFEL的两个设施(第四代直线加速器)、XFEL的PAL-和日本的SACLA进行的，这项研究是与来自KEK IMSS、浦项加速器实验室(PAL)、RIKEN和日本同步辐射研究所(JASRI)的研究人员合作进行的
在这项研究中测量的三个金原子的运动显示在左上角
在0 fs时，样品被紫外光激发
右上角的表格显示了光化学反应过程中分子结构的测量值
左下角2D图的横轴和纵轴分别是金原子A-B和硼碳之间的距离
由S0和T1’表示的点分别对应于光化学反应之前和反应过程中线性转化之后的分子结构
分子结构沿着被称为“反应路径”的红线从S0变为T1’
右下角所示的三维图形是通过在2D图上添加一个能量轴来制作的
在3D图形中绘制的曲面被称为“势能面”
光化学反应由三维图形中相应位置的移动来描述，并且反应路径可以预期连接聚醚砜的谷
紫外光激发前，对应位置在S0的PES底部
当一个分子被紫外光激发时，分子的能量增加，但分子结构仍然保持不变
因此，相应的位置在三维图形中垂直移动
然后，分子结构开始随着其能量的减少而改变，相应的位置沿着谷向T1’的PES下滑
最后，分子结构变成线性，相应的位置到达T1’的PES的底部
到目前为止，为了计算反应路径，已经讨论了化学反应过程中的结构变化
然而，在这项研究中，我们能够确定反应路径，而不依赖于计算
信用:KEK·IMSS 来自每个原子的散射波相互干扰，因此它们的x光散射图像由特定的传播方向来表征
IBS研究小组通过分析x光散射图像来跟踪三个金原子随时间的实时位置，x光散射图像由分子的三维结构决定
随着时间的推移，分子复合物的结构变化导致多个特征散射图像
当一个分子被激光脉冲激发时，多个振动量子态同时被激发
几个受激振动量子态的叠加称为波包
研究人员在三维核坐标中追踪波包，发现在光激发后35 fs内形成了第一轮化学键
反应的后半部分在360 fs内完成整个反应动力学
(左)多维核坐标中波包的时间相关位置是从金三聚体络合物的飞秒x射线散射实验中获得的
(信用:自然& amp通过观察波包的运动，揭示了金三聚体配合物中的成键反应是通过异步成键机制发生的
(黄色:金原子，灰色:碳原子，蓝色:氮原子，1000乘以1 fs为1皮秒(ps)，1000乘以1 ps为1纳秒(ns))信用:(左)自然& ampKEK·IMSS(右) 研究人员还在时间和空间上精确地解释了分子振动运动
考虑到这样一个超高速和一分钟的运动长度对于获得精确的实验数据来说是非常具有挑战性的条件，这是一个相当了不起的壮举
在这项研究中，肠易激综合征研究小组改进了他们2015年发表在《自然》杂志上的研究
在之前2015年的研究中，x光相机的速度(时间分辨率)被限制在500 fs，分子结构已经在500 fs内变为具有两个化学键的线性
(图2，右上)在这项研究中，由于时间分辨率提高到100 fs，可以实时观察到键形成和弯曲到线性结构转变的过程
因此，在异步键形成机制中，两个化学键分别在35 fs和360 fs中形成，并且在335 fs中完成了弯曲到线性的转换(图2，右下)
简而言之，除了观察化学反应的开始和结束之外，他们还用显著改进的实验和分析方法报告了中间的、正在进行的核构型重排的每一步
研究小组将推动这种“利用飞秒x光散射环实时跟踪分子中的原子位置和分子振动”的方法，以揭示有机和无机催化反应以及涉及人体蛋白质的反应的机制
“通过在反应过程中直接跟踪分子振动和分子中所有原子的实时位置，我们将能够揭示各种未知的有机和无机催化反应和生化反应的机制，”Dr
这项研究的第一作者金钟谷
这项研究发表在《自然》杂志上
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