Los científicos capturan una reacción química difícil de alcanzar usando X mejorado

Las reacciones químicas a menudo implican pasos intermedios que son demasiado rápidos y complejos para que los veamos, incluso utilizando nuestros instrumentos científicos más avanzados. Ahora se ha demostrado que la combinación de dos técnicas de espectroscopia de rayos X cambia eso.

Por David Krause

Los investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory capturaron por primera vez uno de los movimientos más rápidos de una molécula llamada ferricianuro mediante la combinación de dos técnicas ultrarrápidas de espectroscopia de rayos X. Piensan que su enfoque podría ayudar a mapear reacciones químicas más complejas, como el transporte de oxígeno en las células sanguíneas o la producción de hidrógeno mediante la fotosíntesis artificial.

El equipo de investigación de SLAC, Stanford y otras instituciones comenzó con lo que ahora es una técnica bastante estándar: eliminaron una mezcla de ferricianuro y agua con un láser ultravioleta y rayos X brillantes generados por la fuente de luz coherente Linac (LCLS). láser de electrones libres. La luz ultravioleta llevó a la molécula a un estado de excitación mientras los rayos X sondeaban los átomos de la muestra, revelando características de la estructura y el movimiento atómico y electrónico del ferricianuro.

Lo que fue diferente esta vez es cómo los investigadores extrajeron información de los datos de rayos X. En lugar de estudiar solo una región espectroscópica, conocida como la línea de emisión principal de Kβ, el equipo capturó y analizó una segunda región de emisión, llamada valencia al núcleo, que ha sido significativamente más difícil de medir en escalas de tiempo ultrarrápidas. La combinación de información de ambas regiones permitió al equipo obtener una imagen detallada de la molécula de ferricianuro a medida que evolucionaba hacia un estado de transición clave.

El equipo demostró que el ferricianuro entra en un estado excitado intermedio durante aproximadamente 0,3 picosegundos, o menos de una billonésima de segundo, después de ser golpeado con un láser UV. Las lecturas de valencia a núcleo revelaron que después de este período excitado de corta duración, el ferricianuro pierde uno de sus "brazos" de cianuro molecular, llamado ligando. Luego, el ferricianuro llena esta articulación faltante con el mismo ligando a base de carbono o, menos probablemente, con una molécula de agua.

"Este intercambio de ligandos es una reacción química básica que se pensaba que ocurría en el ferricianuro, pero no había evidencia experimental directa de los pasos individuales en este proceso", dijo el científico de SLAC y primer autor Marco Reinhard. "Con solo un enfoque de análisis de la línea de emisión principal de Kβ, realmente no podríamos ver cómo se ve la molécula cuando cambia de un estado a otro; solo obtendríamos una imagen clara del comienzo del proceso ."

"Desea poder replicar lo que hace la naturaleza para mejorar la tecnología y aumentar nuestro conocimiento científico fundamental", dijo el científico principal de SLAC, Dimosthenis Sokaras. "Y para replicar mejor los procesos naturales, debes conocer todos los pasos, desde los más obvios hasta los que suceden en la oscuridad, por así decirlo".

En el futuro, el equipo de investigación quiere estudiar moléculas más complejas, como las hemoproteínas, que transportan y almacenan oxígeno en los glóbulos rojos, pero que pueden ser difíciles de estudiar porque los científicos no comprenden todos los pasos intermedios de sus reacciones, dijo Sokaras. .

El equipo de investigación perfeccionó su técnica de espectroscopia de rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) y LCLS de SLAC durante muchos años, y luego combinó toda esta experiencia en el instrumento de espectroscopia de correlación de rayos X (XCS) de LCLS para capturar los cambios estructurales moleculares del ferricianuro. . El equipo publicó sus resultados hoy en Nature Communications.

"Aprovechamos tanto SSRL como LCLS para completar el experimento. No podríamos haber terminado de desarrollar nuestro método sin el acceso a ambas instalaciones y nuestra colaboración de larga data", dijo Roberto Alonso-Mori, científico principal de SLAC. "Durante años, hemos estado desarrollando estos métodos en estas dos fuentes de rayos X, y ahora planeamos usarlos para descubrir secretos de reacciones químicas que antes eran inaccesibles".

Este proyecto fue apoyado en parte por la Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas del DOE. LCLS y SSRL son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El Programa de Biología Molecular Estructural de SSRL también brindó apoyo, apoyado por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del DOE, y por los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales.

Cita: M. Reinhard, A. Gallo, et al., Nature Communications, 5 de mayo de 2023 (doi.org/10.1038/s41467-023-37922-x)

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