由快速光脉冲触发的入水电荷

2024-06-11

一些分子,即所谓的光酸,通过被光激发,可以在局部释放质子。溶液的pH值会迅速发生变化,这对许多化学和生物过程都很重要。

由快速光脉冲触发的入水电荷

这项研究只有在ZEMOS研究大楼的新激光实验室中才能实现,在那里所有的外部干扰信号都被降到最低。图片来源:RUB,Marquard

然而,目前还没有确定质子发射发生时的确切情况。这正是德国波鸿鲁尔大学鲁尔探索溶质RESOLV卓越集群的研究人员现在能够在一项实验中用新技术记录的内容。

他们注意到,在质子开始分离之前,溶质和溶剂之间的跳动会引起短暂的震荡,持续三到五皮秒。他们在2023年3月16日的《化学科学》杂志上写到了这一点。

到目前为止,焦点一直是在染料或碱上

吡喃,一种用于黄色荧光笔等的荧光染料,是研究最多的光酸之一。

尽管有大量的实验研究,但处于质子分离最开始的过程仍然是有争议的辩论主题。----波鸿鲁尔大学化学和生物化学学院物理化学II教授Martina Havenith

哈文斯也是RESOLV的发言人。

然而,只需要90皮秒,就可以完成完整的分离程序。皮秒是百万分之一秒的意思。

研究小组能够首次见证溶剂的变化,在这个例子中是水,在这个过程中,而早期的研究主要集中在光激发后染料的变化。一种最近创建的名为 "光泵太赫兹探针光谱 "的方法被用来完成这一任务。

超快的能量传输

哈文斯补充说:"我们能够追踪到一开始是如何出现振荡的,随后就消退了。令人激动的是,促进激发态质子转移的溶剂反应可以被抓住。"

由于在不到一皮秒的时间内发生了最初的快速能量转移,该区域的水分子被重组了,这为随后的质子迁移做好了准备。

ZEMOS研究大楼的新激光实验室在促成这一发现方面不可或缺。所有的外部干扰信号,如由电磁辐射、温度变化和湿度变化引起的信号,都被降到了最低。只有这样,染料才能识别出水柱中哪怕是最轻微的振动。

随之而来的模拟是由加州大学伯克利分校的Martin Head-Gordon研究小组开发的。它属于CALSOLV,RESOLV的姐妹组织。

这项研究得到了德国研究基金会(DFG)通过鲁尔探索溶解集群的支持,资助号为EXC 2033-390677874-RESOLV,欧洲研究理事会通过ERC高级资助695437(太赫兹量热),以及鲁尔墨卡托研究中心通过鲁尔大学的一个教授职位。

参考资料

Hoberg, C., et al. (2023) Caught in the act: real-time observation of the solvent response that promotes excited-state proton transfer in pyranine. Chemical Science. doi:10.1039/D2SC07126F

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