Ультрафиолет разрушает связи между атомами в ДНК клеток нашей кожи, потенциально вызывая рак. Ультрафиолетовый свет также разрывает кислородные связи, в конечном итоге создавая озон, и отщепляет водород от других молекул, оставляя свободные радикалы, которые могут повредить ткани.
В Калифорнийском университете в Беркли химики, используя одни из самых коротких доступных лазерных импульсов – одну квинтиллионную долю секунды – теперь смогли решить пошаговый процесс, ведущий к взрыву химической связи, по сути, сняв фильм события. Они могут следовать за электронами, нерешительно подпрыгивающими в различных состояниях молекулы, прежде чем связь разорвется, и атомы разойдутся.
Этот метод, опубликованный на прошлой неделе в журнале Science, поможет химикам понять и потенциально управлять химическими реакциями, стимулируемыми светом, так называемыми фотохимическими реакциями. Химики и биологи, в частности, заинтересованы в понимании того, как большие молекулы могут поглощать световую энергию, не разрывая каких-либо связей, как это происходит, когда молекулы в глазу поглощают свет, давая нам зрение, или молекулы растений поглощают свет для фотосинтеза.
«Подумайте о молекуле родопсина в глазу», – сказал первый автор Юки Кобаяши, докторант Калифорнийского университета в Беркли. «Когда свет попадает на сетчатку, родопсин поглощает видимый свет, и мы можем видеть вещи, потому что конформация связи родопсина изменяется."
Фактически, когда световая энергия поглощается, связь в родопсине скручивается, а не разрывается, вызывая другие реакции, которые приводят к восприятию света.
Методика, разработанная Кобаяши и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, профессорами Стивеном Леоне и Дэниелом Ноймарком, может быть использована для детального изучения того, как это поглощение света приводит к скручиванию после того, как молекула проходит через возбужденное состояние, называемое избегаемым пересечением или коническим пересечением.
Чтобы предотвратить разрыв связи в ДНК, «вы хотите перенаправить энергию с диссоциации на просто вибрационно горячую». В случае родопсина вы хотите перенаправить энергию от вибрации к цис-транс-изомеризации, – сказал Кобаяши. "Эти перенаправления химических реакций повсеместно происходят вокруг нас, но мы не видели их реальный момент раньше."
Быстрые лазерные импульсы
Аттосекундные лазеры – аттосекунда составляет одну миллиардную миллиардной доли секунды – существуют уже около десяти лет и используются учеными для исследования очень быстрых реакций. Поскольку большинство химических реакций происходит быстро, эти лазеры с быстрыми импульсами являются ключом к «наблюдению» за поведением электронов, образующих химическую связь, при ее разрыве и / или преобразовании.
Леоне, профессор химии и физики, экспериментатор, который также использует теоретические инструменты и является пионером в использовании аттосекундных лазеров для исследования химических реакций. У него в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли имеется шесть таких лазеров рентгеновского излучения и ультрафиолетового излучения (в совокупности – XUV).
Работая с одной из простейших молекул, монобромидом йода (IBr), который представляет собой один атом йода, связанный с одним атомом брома, команда Калифорнийского университета в Беркли поразила молекулы с помощью 8-фемтосекундного импульса видимого света, чтобы возбудить один из их самых удаленных электронов. , затем зондировал их аттосекундными лазерными импульсами.
Импульсный аттосекундный XUV-лазер с интервалом 1.5 фемтосекунд (фемтосекунда составляет 1000 аттосекунд), как и при использовании стробоскопа, исследователи могли обнаружить шаги, ведущие к распаду молекул. Высокоэнергетический XUV-лазер смог исследовать возбужденные энергетические состояния относительно внутренних электронов молекулы, которые обычно не участвуют в химических реакциях.
«Вы как бы снимаете фильм о путях электрона, когда он приближается к перекрестку, и о вероятности того, что он пойдет по тому или иному пути», – сказал Леоне. «Эти инструменты, которые мы разрабатываем, позволяют вам смотреть на твердые тела, газы и жидкости, но вам нужны более короткие временные шкалы (обеспечиваемые аттосекундным лазером). В противном случае вы видите только начало и конец, и вы не знаете, что еще произошло между ними."
Эксперимент ясно показал, что внешние электроны IBr, однажды возбужденные, внезапно видят множество состояний или мест, в которых они могли бы находиться, и исследуют многие из них, прежде чем решить, какой путь выбрать. Однако в этой простой молекуле все пути приводят к тому, что электрон оседает либо на йоде, либо на броме, а два атома разлетаются в стороны.
В более крупных молекулах, которые команда надеется вскоре изучить, у возбужденных электронов будет больше вариантов выбора, в некоторых из которых энергия переходит в поворот, как в случае с родопсином, или в молекулярную вибрацию без разрушения молекул.
«В биологии выясняется, что эволюция выбрала вещи, которые чрезвычайно эффективно поглощают энергию и не разрывают связь», – сказал Леоне. "Когда что-то идет не так с вашей химией, это когда вы видите, что возникают болезни."
Другими соавторами статьи были Кристина Чанг из Калифорнийского университета в Беркли и Тао Цзэн из Карлтонского университета в Оттаве, Канада. Леоне, Джон Р. Томас Эндауед, заведующий кафедрой физической химии, и Ноймарк, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, также являются преподавателями Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.