作者:德国电子同步加速器
在吸收了一个X射线光子后，水分子可以向上弯曲到这样的程度，仅仅过了大约10飞秒(一秒钟的千分之几十亿分之一)两个氢原子(灰色)就相互面对，氧原子(红色)在中间
这种运动可以通过吸收第二个x光光子来研究
信用:DESY，路德格·因赫斯特 一个国际研究小组利用欧洲XFEL的x光激光对生物组织中辐射损伤是如何发生的获得了新的见解
这项研究详细揭示了水分子如何被高能辐射分解，产生潜在的有害自由基和带电离子，进而引发生物体的有害反应
由来自巴黎索邦大学的玛丽亚·诺维拉·皮安卡斯特利和雷诺·吉勒明、来自DESY的勒德格尔·因赫斯特和来自欧洲XFEL的蒂尔·扬克领导的研究小组正在科学杂志《物理评论十》上发表他们的观察和分析
由于水存在于每一种已知的生物体内，水分子被辐射H2O分裂，称为水的光解，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解释道
“例如，即使只是观察高能辐射被吸收时水中单个带电离子和活性自由基的形成，也已经非常困难
" 为了研究这一系列事件，研究人员向水蒸气发射了x光激光的强脉冲
水分子通常在吸收一个这样的高能X射线光子时分解
“由于来自X射线激光的特别强的脉冲，甚至有可能观察到水分子在碎片飞散之前吸收的不仅仅是一个，而是两个甚至更多的X射线光子，”Inhester报道
这让研究人员得以一窥在第一次吸收x光光子后分子内部发生了什么
“分子在两次吸收事件之间的运动留下了一个清晰的指纹，换句话说，它的碎片以一种非常特殊的、有特色的方式飞散开来，”皮卡斯泰利说
“通过仔细分析这个指纹，以及使用详细的模拟，我们能够得出水分子吸收第一个x光光子后的超快动力学的结论
“研究小组使用所谓的反应显微镜测量了碎片行进的方向和速度
这使得科学家们能够在一种慢动作电影中记录水分子的分解，这种分解只持续了几飞秒(一秒钟的四百万分之一)
事实证明，水分子的分解比最初预期的要复杂得多
水分子(H2O)在最终分裂之前开始伸展和膨胀
仅仅10飞秒后，通常以104度角附着在氧原子上的两个氢原子(H)就能积聚足够的动量，以180度左右的角度相互面对
结果，当分子分裂时，氧原子实际上并没有被用力甩出，因为两个氢原子核在飞离时动量基本上相互平衡，使氧在中间处于静止状态
在含水环境中，这种氧自由基很容易导致进一步的潜在有害化学反应
水分子在吸收两个高能x光光子过程中分裂的重构动力学示例
这两个吸收步骤由氧原子的颜色变化来表示
信用:DESY，路德格·因赫斯特 “在我们的研究中，我们首次成功地对水分子吸收高能辐射后的动力学进行了更仔细的观察，”在自由电子激光科学中心(CFEL)工作的Inhester说，该中心是DESY大学、汉堡大学和马克斯·普朗克学会之间的合作机构
“特别是，我们能够更精确地表征氧自由基和氢离子的形成，以及这一过程随时间推移的发展方式
水分子的分解是最终导致辐射损伤的进一步连锁反应中重要的第一步
" 这一分析增加了辐射对水的影响的总体情况
之前的一项研究涉及到同一团队的一些成员，研究了水中低能量辐射形成所谓自由基的详细动力学
在那里观察到的过程与现在正在研究的吸收高能辐射的次级过程具有相似的动力学
新获得的见解解决了关于水中反应动力学的基本问题，这些问题将在目前与国际合作伙伴在DESY建立的分子水科学中心(CMWS)进一步研究
关于单个水分子的新实验是在欧洲XFEL的SQS实验站用新的COLTRIMS反应显微镜进行的首批实验之一
扬克说:“结果表明，我们还将能够研究其他结构更复杂的溶剂和分子，例如乙醇或环状化合物，它们在化学和其他学科中非常受关注。”
来自法兰克福、弗赖堡、汉堡和卡塞尔大学以及瑞典哥德堡、隆德和乌普萨拉和芬兰图尔库的研究人员，来自马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所和马克斯·普朗克核物理研究所、美国劳伦斯·伯克利国家实验室和堪萨斯州立大学、意大利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的研究人员参与了这项研究
DESY是世界领先的粒子加速器中心之一，研究物质的结构和功能——从微小元素粒子的相互作用、新型纳米材料和重要生物分子的行为，到宇宙的伟大奥秘
DESY在汉堡和泽特恩研发和建造的粒子加速器和探测器是独特的研究工具
它们产生世界上最强烈的X射线辐射，加速粒子记录能量，打开宇宙的新窗口
DESY是德国最大的科学协会亥姆霍兹协会的成员，其资金来自德国联邦教育和研究部(BMBF)(90%)以及德国联邦汉堡州和勃兰登堡州(10%)
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