超快“电子相机”拍到解离过程中的质子，有望解开氢转移之谜

美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学领导的团队使用超快电子衍射记录了氨分子内氢原子的快速运动。该研究利用高能（兆电子伏MeV） 电子的优势来研究氢原子和质子的转移，相关论文发表在最新一期《物理评论快报》上。

用紫外线照射氨（由1个氮原子和3个氢原子组成）会使氢原子从氨中解离。
图片来源：南娜霍姆加德·利斯特/瑞典皇家理工学院

质子转移驱动着生物学和化学中的无数反应。线粒体是细胞的动力源，而质子泵对线粒体至关重要，因此准确了解其结构在这些反应过程中如何演变非常必要。不过，质子转移发生在几飞秒内，速度极快。

想要捕捉质子转移，可以向分子发射X射线，再利用射线研究分子演化过程中的结构。遗憾的是，X射线仅与电子相互作用，而不与原子核相互作用，因此它不是最灵敏的方法。

为此， SLAC团队采用了超快电子衍射相机MeV-UED。他们利用紫外线照射氨气，解离或破坏其中一个氢氮键，然后发射一束电子穿过它并拍摄衍射电子。

团队不仅拍摄到氢与氮核分离的信号，还抓拍到分子结构的相关变化。更重要的是，散射的电子以不同的角度射出，因此它们可分离两个信号。

研究人员表示，在一个实验中同时拥有对电子敏感和对原子核敏感的双重能力，非常难得而且非常有用。如果能看到原子解离时最初发生了什么，无论是原子核还是电子首先分离，人们就能回答有关解离反应是如何发生的问题。

这些信息让科学家越来越接近质子转移之谜的答案，有助于回答化学和生物学中更多的问题。这一成果还将对结构生物学产生重要影响，因为当前的X射线晶体学和冷冻电子显微镜等传统方法很难“看到”质子。

团队希望提高电子束的强度并提高实验的时间分辨率，以便能够真正了解质子随时间解离的每一个步骤。