水是生命的代名詞，但將水分子連結在一起的動態、多方面的相互作用–氫鍵仍然是一個謎。 這些氫鍵的形成是由於相鄰水分子中的氫原子和氧原子連接在一起，並在此過程中交換了電子電荷。

這種電荷共享是3D”氫鍵”網路的關鍵特徵，它賦予了液態水獨特的性質，但迄今為止，人們只能透過理論模擬來了解這種網路的核心量子現象。

現在，EPFL 工程學院基礎生物光子學實驗室主任西爾維-洛克（Sylvie Roke）領導的研究人員發表了一種新方法–相關振動光譜法（CVS），使他們能夠測量水分子參與H 鍵網路時的行為。

最重要的是，CVS 使科學家能夠區分這些參與（相互作用）的分子和隨機分佈的非氫鍵（非相互作用）分子。 相較之下，任何其他方法都會同時報告兩種分子類型的測量結果，因此無法區分它們。

EPFL 基礎生物光子學實驗室的相關振動光譜（CVS）裝置。 圖片來源：Jamani Caillet

“目前的光譜學方法測量的是一個系統中所有分子振動引起的雷射散射，因此必須猜測或假設你所看到的是你感興趣的分子相互作用引起的，”Roke 解釋道。 “有了CVS，每種不同類型分子的振動模式都有自己的振動光譜。由於每個頻譜都有一個獨特的峰值，對應於沿著H 鍵來回移動的水分子，因此我們可以直接測量它們的特性，如電子電荷的共享程度以及H 鍵強度受到的影響。

研究小組稱這種方法具有”變革性”潛力，可用於描述任何材料中的相互作用，該研究成果已發表在《科學》上。

為了區分相互作用分子和非相互作用分子，科學家用飛秒（四十億分之一秒）近紅外光譜雷射脈衝照射液態水。 這些超短脈衝光在水中產生微小的電荷振盪和原子位移，引發可見光的發射。 這種發射的光以散射模式出現，包含了分子空間組織的關鍵訊息，而光子的顏色則包含了分子內部和分子之間原子位移的資訊。

“典型的實驗是將光譜探測器與射入的雷射束成90 度角，但我們意識到，只需改變探測器的位置，並使用某些偏振光組合記錄光譜，就能探測相互作用的分子。 “羅克說：”透過這種方法，我們可以為非相互作用分子和相互作用分子創建不同的光譜。

研究小組進行了更多的實驗，旨在利用CVS 來揭示H 鍵網絡的電子和核量子效應，例如通過添加氫氧根離子（使水更鹼性）或質子（更酸性）來改變水的pH值。

“氫氧根離子和質子參與了氫鍵作用，因此改變水的pH 值會改變其反應性，”論文第一作者、博士生米沙-弗洛爾（Mischa Flór）說。 “透過CVS，我們現在可以準確量化氫氧根離子捐贈了多少額外電荷到H 鍵網絡（8%），質子從中接受了多少電荷（4%）–這是以前無法透過實驗完成的精確測量。這些數值是藉助法國、義大利和英國的合作者進行的高階模擬計算得出的。

研究人員強調，他們也透過理論計算證實，這種方法可以應用於任何材料，事實上，一些新的表徵實驗已經在進行中。

“直接量化氫鍵強度的能力是一種強大的方法，可用於澄清任何溶液的分子級細節，例如含有電解質、糖、氨基酸、DNA或蛋白質的溶液。”羅克說：”由於CVS 不局限於水，它還能提供大量有關其他液體、系統和過程的資訊。

編譯自/ ScitechDaily