科学家们已经捕捉到了快速移动的氢原子——无数生物和化学反应的关键——的作用。由能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队使用超快电子衍射(UED)记录氨分子内氢原子的运动。其他人理论上认为他们可以通过电子衍射追踪氢原子，但到目前为止还没有人成功完成该实验。

该研究结果发表在《物理评论快报》上，利用高能兆电子伏(MeV)电子的优势来研究氢原子和质子转移，其中构成氢原子核的单个质子从一个分子移动到另一个分子。

质子转移驱动着生物学和化学中无数的反应——想想有助于催化生化反应的酶和质子泵，这对线粒体(细胞的动力源)至关重要——因此准确地了解其结构在这些反应过程中如何演变将很有帮助。但质子转移发生得非常快——在几飞秒内，即十亿分之一秒的百万分之一。捕捉他们的行动是一项挑战。

一种可能性是向分子发射X射线，然后利用散射的X射线来了解分子演化过程中的结构。遗憾的是，X射线仅与电子相互作用，而不与原子核相互作用，因此它不是最灵敏的方法。

为了找到他们正在寻找的答案，由SLAC科学家ThomasWolf领导的团队将SLAC的超快电子衍射相机MeV-UED投入使用。他们使用气相氨，其中三个氢原子与一个氮原子相连。研究小组用紫外线照射氨，解离或破坏其中一个氢氮键，然后发射一束电子穿过它并捕获衍射电子。

他们不仅捕捉到氢与氮核分离的信号，还捕捉到分子结构的相关变化。更重要的是，散射的电子以不同的角度射出，因此它们可以分离两个信号。

沃尔夫说：“在同一个实验中同时拥有对电子敏感的东西和对原子核敏感的东西是非常有用的。”“如果我们能够看到原子解离时首先发生的情况——无论是原子核还是电子首先进行分离——我们就可以回答有关解离反应如何发生的问题。”

有了这些信息，科学家们就可以接近难以捉摸的质子转移机制，这有助于回答化学和生物学中的无数问题。了解质子的作用可能对结构生物学产生重要影响，因为X射线晶体学和冷冻电子显微镜等传统方法很难“看到”质子。

未来，该小组将在SLAC的X射线激光器(直线加速器相干光源(LCLS))上使用X射线进行相同的实验，看看结果有多么不同。他们还希望提高电子束的强度并提高实验的时间分辨率，以便他们能够真正解决质子随时间解离的各个步骤。

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