لیزر اشعه ایکس چگونگی ایجاد آسیب ناشی از تشعشع را نشان می‌دهد
شات دوتایی دینامیک به‌طور دقیق نحوه تجزیه مولکول‌های آب را نشان می‌دهد
قرار گرفتن محیطهای آبی در معرض اشعه ایکس عواقبی مانند آسیب پرتودرمانی در نمونههای بیولوژیکی دارد. تشعشعات یونیزه سبب ایجاد فرآیندهای فتوشیمیایی می‌شود که منجر به تشکیل یونها و رادیکالها در مقیاس زمانی بسیار کوتاه می‌شود. با این حال، توصیف دقیقی از تکامل ساختاری این گونه‌های تازه تشکیل شده مبهم باقی مانده است. برای این منظور، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی دینامیک ساختاری مولکول‌های آب مجزا را که در معرض یک پالس کوتاه اشعه ایکس قرار گرفته‌اند، با جزئیات بی‌سابقه تصویربرداری کرده‌اند.
این تیم با استفاده از لیزر الکترون آزاد، مولکول‌های بخار آب مجزا را در معرض پالسهای اشعه ایکس قرار داده و لحظه به لحظه یون‌های بعدی را ثبت کردند. اولین پالس اشعه ایکس، دو الکترون را از مولکول حذف می‌کند و باعث تغییر در ساختار آن می‌شود. پالس دوم، دو الکترون دیگر را حذف می‌کند و باعث می‌شود که مولکول به دو پروتون و یک اتم اکسیژن یونیزه شکسته شود. آن‌ها تغییرات ساختاری مولکولی قابل توجهی را مانند تغییر شکل نامتقارن و باز شدن زاویه پیوند، که منجر به تکه تکه شدن ملکول به دو یا سه تکه در چند فمتوثانیه می‌شود، ثبت کرده‌اند.
شکل 1:پس از جذب یک فوتون پرتو ایکس، مولکول آب می‌تواند آنقدر خم شود که پس از تنها ده فمتوثانیه هر دو اتم هیدروژن (خاکستری) با اتم اکسیژن (قرمز) روبروی یکدیگر قرار گیرند. در وسط. این حرکت را میتوان با جذب دومین فوتون پرتو ایکس مطالعه کرد
این تیم تحقیقاتی از لیزر پرتو ایکس اروپایی XFEL ، برای دستیابی به بینش جدیدی در مورد چگونگی آسیب ناشی از تشعشع در بافت‌های بیولوژیکی استفاده کرده است. این مطالعه با جزئیات نشان می‌دهد که چگونه مولکول‌های آب توسط تشعشعات پرانرژی از هم جدا می‌شوند و رادیکال‌های بالقوه خطرناک و یون‌های باردار الکتریکی ایجاد می‌کنند که می‌توانند باعث ایجاد واکنش‌های مضر در ارگانیسمها شوند. این تیم به رهبری ماریا نوولا[1] پیانکستلی[2] و رناود گیلمین[3] از سوربن پاریس، لوجر اینهستر[4] از DESY و تیل جانکه[5] از XFEL اروپایی مشاهدات و تحلیل‌های خود را در مجله علمیPhysical Review X منتشر کرده‌اند. از آنجایی که آب در همه ارگانیسمهای زنده شناخته شده وجود دارد، شکافتن مولکول آب H2O توسط تشعشع، که فتولیز آب نامیده می‌شود، اغلب نقطه شروع آسیب ناشی از تشعشع است. اینهستر توضیح می‌دهد: «زنجیره واکنش‌هایی که می‌تواند توسط تشعشعات پرانرژی در بدن ایجاد شود، هنوز به‌طور کامل شناخته نشده است. برای مثال، حتی مشاهده تشکیل یون‌های باردار و رادیکال‌های واکنش‌گر در آب زمانی که تشعشعات پرانرژی جذب می‌شوند، در حال حاضر بسیار دشوار است.”
برای مطالعه این توالی از رویدادها، محققان پالسهای شدید لیزر اشعه ایکس را به بخار آب شلیک کردند. مولکول‌های آب معمولاً با جذب یک فوتون پر انرژی پرتو ایکس متلاشی می‌شوند. اینهستر گزارش می‌دهد: «به دلیل پالسهای شدید لیزر اشعه ایکس، حتی امکان مشاهده مولکول‌های آب وجود داشت که نه تنها یک، بلکه دو یا حتی بیشتر فوتون اشعه ایکس را قبل از تجزیه کامل جذب می‌کردند. این به محققان نگاهی اجمالی به آنچه در داخل مولکول پس از اولین جذب یک فوتون پرتو ایکس می‌گذرد، می‌دهد.”
پیانکستلی می‌گوید: “حرکت مولکول بین دو رویداد جذبی، اثر انگشت واضحی از خود به جای می‌گذارد، به‌عبارت دیگر، قطعات آن به روشی بسیار خاص و مشخص از هم جدا می‌شوند. با تجزیه و تحلیل دقیق این اثر انگشت و همچنین با استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق، ما توانستیم در مورد دینامیک فوق‌العاده سریع مولکول آب پس از جذب اولین فوتون پرتو ایکس نتیجه‌گیری کنیم.” این تیم جهت حرکت اجزا و سرعت آن‌ها را با استفاده از میکروسکوپ واکنشی، اندازهگیری کردند. این به دانشمندان اجازه داد تا تجزیه مولکول آب را که تنها چند فمتوثانیه طول کشید، در نوعی فیلم حرکت آهسته ثبت کنند. به نظر میرسد که تجزیه مولکول آب بسیار پیچیده‌تر از آنچه در ابتدا انتظار میرفت، است. مولکول آب (H2O) شروع به کشش و انبساط می‌کند قبل از اینکه در نهایت از هم جدا شود. تنها پس از ده فمتوثانیه، دو اتم هیدروژن (H) که معمولاً با زاویه 104 درجه به اتم اکسیژن (O) متصل هستند، می‌توانند آنقدر تکانه ایجاد کنند که با زاویه 180 درجه روبروی یکدیگر قرار گیرند. در نتیجه، اتم اکسیژن در واقع زمانی که مولکول متلاشی می‌شود، به سختی پرتاب نمی‌شود، زیرا تکانه دو هسته هیدروژن تا حد زیادی با یکدیگر تعادل برقرار می‌کنند و اکسیژن را عملاً در وسط می‌گذارند.
در یک محیط آبی، این رادیکال آزاد اکسیژن می‌تواند به‌راحتی منجر به واکنش‌های شیمیایی بالقوه مضر شود.
اینهستر که در مرکز علوم لیزر الکترون آزاد (CFEL) کار می‌کند، می‌گوید: «در تحقیقات خود، برای اولین بار موفق شدیم دینامیک یک مولکول آب را پس از جذب تشعشعات پرانرژی، با همکاری بین دو موسسه DESY، دانشگاه هامبورگ و انجمن ماکس پلانک، بررسی کنیم. به ویژه، ما توانستیم شکلگیری رادیکال اکسیژن و یون‌های هیدروژن و همچنین نحوه آشکار شدن این فرآیند در طول زمان را مشخص کنیم. این تجزیه مولکول آب اولین گام مهم در زنجیره بعدی واکنشها است. که در نهایت منجر به آسیب تشعشعات می‌شود.”
آزمایش‌های جدید روی مولکول‌های تک آب، جز اولین آزمایش‌هایی بود که با میکروسکوپ واکنشی جدید COLTRIMS در ایستگاه آزمایشی SQS XFEL اروپا انجام شد. جانکه یک دیگر از محققان این تیم می‌گوید: «نتایج نشان می‌دهد که ما همچنین می‌توانیم حلال‌ها و مولکول‌های دیگر با ساختار پیچیده‌تر، مانند اتانول یا ترکیبات حلقوی را که در شیمی و سایر رشته‌ها مورد توجه هستند، بررسی کنیم».
منابع:
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211206090617.htm
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041044
https://www.eurekalert.org/news-releases/936903
[1] Maria Novella
[2] Piancastelli
[3] Renaud Guillemin
[4] Ludger Inhester
[5] Till Jahnke