“定格”分子瞬间，他们用加速器拍高清照

分子结构成像。中国科学院近代物理研究所供图

捕捉分子瞬间，就像试图定格风中的尘埃，似乎是个不切实际的想法。然而，有这样一群科学家，致力于将这一看似不可能的任务变为现实——为分子拍摄高清照片，进而揭示内部结构与行为的微妙细节。

近日，中国科学院近代物理研究所原子物理中心从事博士后研究的苑航以及研究员许慎跃、马新文等在分子库仑爆炸成像领域取得了重要进展。他们利用兰州重离子加速器提供的高电荷态离子束流，成功实现了对复杂分子的高精度结构成像。这一成果发表于《物理评论快报》。

给神秘分子世界“照相”

分子作为构成物质的基本单位，内部结构和动态行为对于理解物质的性质和功能至关重要。然而，由于分子极其微小且运动速度极快，想要捕捉清晰的图像并非易事。

因此，分子照相技术面临着分辨率和成像速度等多重挑战。然而，对于致力于揭示分子内部结构和行为的科学家来说，这是一个值得追求的目标。

“经过长时间的研究和探索，我们终于在分子库仑爆炸成像领域取得了重要突破。”许慎跃告诉《中国科学报》，库仑爆炸成像技术是一种通过剥离分子中的电子使其发生碎裂，并进一步探测碎片动量以获得分子结构信息的方法。

与传统的分子结构预测方法不同，库仑爆炸成像技术不依赖于复杂的计算模型或化学软件，而是直接通过物理实验观测分子的真实结构。当分子被高能离子撞击后，内部电子迅速剥离，瞬间“爆炸”成多个原子碎片。这些碎片的速度、方向和能量分布等信息，都蕴含着分子原始结构的秘密。

库仑爆炸成像技术的发展并非一帆风顺。该技术问世已经近30年，然而，在前25年里，它主要局限于对二氧化碳、甲烷等简单小分子的研究。这些分子的原子数量较少、结构相对简单，因此成像难度较低。对于更复杂的分子，成像难度则大大增加。

近年来，尽管科学家利用自由电子激光或飞秒激光提供的超强脉冲束，成功实现了10个原子组成的复杂分子的库仑爆炸成像，但这些方法仍存在明显的局限。

“由于多重电离时间尺度等因素的制约，分子在库仑爆炸前往往会发生结构弛豫，这极大限制了成像精度。特别对于含氢原子的分子体系，测量结果与分子实际键长之间存在显著偏差，使得这些技术难以满足高精度分子结构成像的需求。”马新文说。

高电荷态离子的“闪电战”

“面对复杂分子的挑战，我们团队另辟蹊径，将兰州重离子加速器产生的高电荷态离子当作‘炮弹’，对复杂分子发起了‘闪电战’。”许慎跃说，在亚飞秒的时间尺度内，高电荷态离子能够迅速剥离分子外壳层的多个电子，引发库仑爆炸。这一过程之快，堪比相机快门一闪，却能捕捉到分子结构瞬间的“定格”。

这一特点使得高电荷态离子成为实现复杂分子高精度成像的理想工具。

在实验过程中，科研团队选用了哒嗪、嘧啶和吡嗪3种分子作为模型分子。这3种分子互为同分异构体，即分子式相同但结构不同的化合物，因此化学性质也可能截然不同。由于含有碳和氮元素的环状结构在生物体系中十分常见，因此对其结构的研究具有重要意义。

研究人员利用兰州重离子加速器产生的1.35兆电子伏特五价碳离子束流，对这些分子进行了照射。在亚飞秒的时间尺度内，碳离子成功剥离了分子外壳层的10个以上电子，引发了剧烈的库仑爆炸。

随后，科研团队利用反应显微成像谱仪，对爆炸产生的碎片离子进行了符合测量。他们记录了氢离子、碳二以上烃类、碳基物质和氮基正电荷物质等碎片离子的动量信息，并通过重构碎片离子的动量分布，成功还原了分子的内部结构。实验结果表明，利用高电荷态离子诱导的库仑爆炸成像技术，可以实现对复杂分子中氢原子和较重原子的高精度成像，且成像精度得到了显著提高。

更令人兴奋的是，团队还提出了利用碎片离子角度关联谱作为指纹信息鉴别同分异构体的新方法。传统的分子结构分析方法往往难以有效区分同分异构体，而这项新技术却能够像指纹识别一样，通过碎片离子的角度关联谱准确区分它们。

“在分析这些实验数据时，我们用到了高中排列组合的知识。”许慎跃说，“这好比我们给每个分子打上一枚独特的‘指纹’，只要测量这些‘指纹’信息，就能准确识别出分子的真实结构。”

许慎跃表示，此次实验之所以进展得如此顺利，关键在于团队长时间的技术积累，当这些技术应用于分子成像研究时，几乎未遇到任何阻碍，为复杂分子结构解析以及同分异构体研究开辟了全新途径。

揭开自然奥秘 拓展应用领域

“当我们首次利用高电荷态离子实现复杂分子高精度成像时，整个团队都沉浸在巨大的喜悦之中。那种通过自己的努力揭开自然奥秘的感觉，是无法用言语表达的。”许慎跃表示。

在成功实现对复杂分子的高精度成像后，科研团队在学术期刊上发表了相关论文，详细阐述了实验过程、技术原理、数据分析方法、成像结果等方面的内容。

这一技术的成功应用，不仅为复杂分子的高精度成像提供了可能，也为鉴别同分异构体提供了新方法，有望在化学、材料科学、生物学和制药等领域得到广泛的应用。

马新文告诉《中国科学报》：“在化学领域，该技术可用于解密复杂有机分子的未知结构。在材料科学领域，该方法有望通过对薄膜或纳米材料的局部成像，揭示材料的微观结构，推动新材料研发。在生物学和制药领域，该技术非常适合手性分子鉴别，对手性药物的研发和生物分子的精确分析具有重要意义，有望为新药的研发和疾病的精准治疗提供有力工具。”

利用高电荷态离子库仑爆炸成像技术，科学家可以更准确地测量分子结构、鉴别同分异构体，从而推动相关领域发展。

未来，科研团队将继续深化对高电荷态离子库仑爆炸成像技术的研究和应用。他们计划进一步拓展实验体系，研究更多复杂分子的高精度成像方法，并探索该技术在生物、医药等领域的应用潜力。他们还将加强与国内外科研机构的合作与交流，共同推动分子科学研究的发展，为探索微观世界的奥秘贡献更多智慧和力量。（记者 叶满山）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.193002