Эксперименты на XFEL открывают сверхбыструю динамику фотолиза воды
Международная исследовательская группа в центре European XFEL ( European x-ray free electron laser, Европейский Рентгеновский Лазер на Свободных Электронах) с помощью инструментария SQS (Малые Квантовые Системы, Small Quantum Systems) изучила процесс радиационного повреждения биологических объектов. Ученые подробно рассмотрели, как высокоэнергетическое излучение разрывает молекулу воды на ионы, которые могут стать причиной повреждения живых клеток.
Поскольку вода присутствует в каждом известном организме, фотолиз воды часто является отправной точкой для радиационного поражения.
«Однако цепочка реакций, которые могут быть вызваны в организме высокоэнергетическим излучением, до сих пор не изучена до конца, — объясняет Лудгер Инхестер, представитель исследовательского центра DESY (Германия). — Например, даже простое наблюдение за образованием отдельных ионов и радикалов в воде при поглощении высокоэнергетического излучения уже очень сложно».
Исследователи бомбардировали импульсами рентгеновского лазера отдельные молекулы воды. Эти импульсы были настолько интенсивны, что во многих случаях поглощался не один, а два или три рентгеновских фотона. Второе поглощение позволило узнать, что происходит внутри молекулы, поскольку перемещение атомов в молекуле воды между двумя событиями поглощения приводит к тому, что ионы затем разлетаются очень специфическим образом.
«Движение атомов, происходящее между двумя событиями поглощения, оставляет четкий «отпечаток пальца» в дальнейшей фрагментации молекулы, другими словами, фрагменты молекулы разлетаются очень характерным образом, — сказала руководитель международной группы Мария Новелла Пианкастелли. — Тщательно проанализировав этот «отпечаток пальца», а также используя детальное моделирование, мы смогли сделать выводы о сверхбыстрых процессах внутри молекулы воды после того, как она поглотила первый рентгеновский фотон».
Ученым удалось создать покадровую запись распада молекулы воды, который длится всего несколько фемтосекунд (квадриллионных долей секунды)».
Оказалось, что молекула воды (H2O) растягивается и расширяется, прежде чем распасться. Всего через десять фемтосекунд два атома водорода (H), которые обычно образуют с атомом кислорода (O) угол 104 градуса, могут набрать столько импульса, что повернутся друг к другу под углом около 180 градусов. В результате при распаде молекулы воды импульсы двух ядер водорода в значительной степени уравновешивают друг друга; когда они улетают, кислород остается посередине практически в покое. В водной среде это может легко привести к дальнейшим потенциально вредным химическим реакциям.
«В нашем исследовании нам впервые удалось поближе рассмотреть динамику молекулы воды после того, как она поглотила излучение высокой энергии, — говорит Инхестер. — В частности, мы смогли более точно охарактеризовать образование ионов и радикалов кислорода и водорода, а также то, как этот процесс разворачивается во времени. Распад молекулы воды является важным первым шагом в дальнейшей цепочке реакций, которые в конечном итоге приводят к радиационному повреждению».
«Эксперименты с отдельными молекулами воды были одними из первых, которые мы провели с помощью нового реакционного микроскопа COLTRIMS в SQS. Эти результаты показывают, что мы также сможем рассмотреть другие растворители и молекулы с более сложной структурой, такие как этанол или циклические соединения, которые представляют большой интерес в химии и других дисциплинах», — сказал сотрудник European XFEL Тилл Янке.