과학자들은 향상된 X를 사용하여 파악하기 어려운 화학 반응을 포착합니다.

화학 반응에는 종종 우리가 볼 수 없을 정도로 빠르고 복잡한 중간 단계가 포함됩니다. 심지어 가장 진보된 과학 장비를 사용해도 마찬가지입니다. 이제 두 가지 X선 분광학 기술을 결합하면 이러한 상황이 바뀌는 것으로 나타났습니다.

데이비드 크라우스

SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory) 연구원들은 두 가지 초고속 X선 분광학 기술을 결합하여 페리시아나이드라고 불리는 분자의 가장 빠른 움직임 중 하나를 처음으로 포착했습니다. 그들은 그들의 접근 방식이 혈액 세포의 산소 수송이나 인공 광합성을 이용한 수소 생산과 같은 더 복잡한 화학 반응을 매핑하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다.

SLAC, 스탠포드 및 기타 기관의 연구팀은 현재 상당히 표준적인 기술로 시작했습니다. 그들은 LCLS(Linac Coherent Light Source) X선에서 생성된 밝은 X선과 자외선 레이저를 사용하여 페리시안화물과 물의 혼합물을 제거했습니다. 자유전자레이저. 자외선은 분자를 들뜬 상태로 만들고 X선은 샘플의 원자를 조사하여 페리시안화물의 원자 및 전자 구조와 운동의 특징을 드러냈습니다.

이번에 달라진 점은 연구진이 엑스레이 데이터에서 정보를 추출한 방식이다. Kβ 주 방출 선으로 알려진 하나의 분광 영역만 연구하는 대신 연구팀은 원자가-핵이라고 불리는 두 번째 방출 영역을 포착하고 분석했는데, 이는 초고속 시간 단위로 측정하기가 훨씬 더 어려웠습니다. 두 지역의 정보를 결합함으로써 팀은 페리시아나이드 분자가 주요 전이 상태로 진화하는 과정에 대한 자세한 그림을 얻을 수 있었습니다.

연구팀은 페리시안화물이 UV 레이저에 맞은 후 약 0.3피코초(1조분의 1초 미만) 동안 중간 여기 상태에 들어가는 것을 보여주었습니다. 원자가-핵 판독 결과는 이 단명한 들뜬 기간 이후에 페리시안화물이 리간드라고 불리는 분자 시안화물 "팔" 중 하나를 잃는다는 것을 보여주었습니다. 그런 다음 페리시아나이드는 이 누락된 연결부를 동일한 탄소 기반 리간드 또는 가능성이 적은 물 분자로 채웁니다.

SLAC 과학자이자 제1저자인 Marco Reinhard는 “이 리간드 교환은 페리시안화물에서 발생하는 것으로 생각되는 기본적인 화학 반응이지만 이 과정의 개별 단계에 대한 직접적인 실험적 증거는 없었다”고 말했습니다. "Kβ 주 방출선 분석 접근 방식만으로는 분자가 한 상태에서 다음 상태로 변할 때 분자가 어떻게 보이는지 실제로 볼 수 없으며 프로세스 시작에 대한 명확한 그림만 얻을 수 있습니다. ."

SLAC 수석 과학자 Dimosthenis Sokaras는 "기술을 개선하고 기초 과학 지식을 높이기 위해 자연이 하는 일을 복제할 수 있기를 원합니다"라고 말했습니다. "그리고 자연 과정을 더 잘 복제하려면 가장 명백한 것부터 어둠 속에서 일어나는 것까지 모든 단계를 알아야 합니다."

미래에 연구팀은 적혈구에서 산소를 운반하고 저장하는 혈단백질과 같은 더 복잡한 분자를 연구하기를 원하지만 과학자들이 반응의 모든 중간 단계를 이해하지 못하기 때문에 연구하기가 까다로울 수 있다고 Sokaras는 말했습니다. .

연구팀은 수년에 걸쳐 SLAC의 스탠포드 싱크로트론 방사선 광원(SSRL)과 LCLS에서 X선 ​​분광학 기술을 개선한 다음 LCLS의 XCS(X선 상관 분광학) 장비에서 이 모든 전문 지식을 결합하여 페리시아나이드의 분자 구조 변화를 포착했습니다. . 팀은 오늘 Nature Communications에 결과를 발표했습니다.

SLAC 수석 과학자인 Roberto Alonso-Mori는 "우리는 실험을 완료하기 위해 SSRL과 LCLS를 모두 활용했습니다. 두 시설에 대한 접근과 오랜 협력 없이는 방법 개발을 완료할 수 없었을 것입니다."라고 말했습니다. "수년 동안 우리는 이 두 X선 소스에서 이러한 방법을 개발해 왔으며 이제 이전에는 접근할 수 없었던 화학 반응의 비밀을 밝히기 위해 이를 사용할 계획입니다."

이 프로젝트는 DOE 산하 과학부, 기초 에너지 과학부에서 부분적으로 지원을 받았습니다. LCLS와 SSRL은 DOE Office of Science 사용자 시설입니다. 또한 DOE 생물 및 환경 연구실과 국립 보건원, 국립 종합 의학 연구소의 지원을 받는 SSRL의 구조 분자 생물학 프로그램에서도 지원이 제공되었습니다.