跨國團隊運用雷射脈衝有效分辨分子左右旋

【本刊訊】在化學與藥學的領域裡,分辨一個分子的左右旋相當關鍵。法國研究團隊CELIA-CNRS、INRS、SOLEIL與柏林麥克斯波恩研究中心(Max Born Institute) 日前於《自然物理》(Nature Physics)發布研究,在短時間內的雷射脈衝下激發分子內電子的螺旋動作,便能對其作進一步確認。

人類擁有慣用手的分別,科學家發現連分子也不例外。人們能自然地使用慣用手操作掌內的物品或工具,而這種慣用手勢,稱之為「手性(chirality)」的特性在分子世界裡也相當重要,事實上這可能比人類的慣用手區分來得重要許多。

從某些物質裡所展現的鏡像雙生子(mirrortwin)可以看出該物質具毒性或益處,也因此某些藥物必須僅包含左右其中一種雙生子。當中的問題在於區別右旋分子與左旋分子的不同,畢竟在與另一具有手性的物體作用前,它們的行為基本上完全一樣,而就在日前,該團隊運用這樣的分子特性找到辨識分子螺旋方向的全新方法。

19 世紀以降人們便了解到分子具備手性,其中著名的例子為DNA,其結構類似於右手開瓶器。通常科學家使用所謂的「圓振偏光(circularly polarized light)」來確認手性,其電磁場以順時針或逆時針方向旋轉,沿著光線方向形成右向或左向的螺旋,這種手性光會被反旋向的分子以不同的方式吸收。

由於光的波長較分子來的長,因此該效應相當地小,對分子的手性結構也就無法有效覺察。麥克斯波恩研究中心成員史摩諾瓦(Olga Smirnova)表示,新手法則是將手性訊號放大,其訣竅為在分子上發射極短的圓偏振雷射,此一脈衝僅耗時10 億分之一秒,並將能量傳遞給分子中的電子以激發其螺旋運動,而旋轉的方向視分子內的結構決定。

利用二次雷射脈衝可探測其動作,除脈衝必須小到足以捕捉電子運動方向外,亦要有足夠的光子能量將分子內的電子激發出來,透過這樣的方式,電子便會沿著(或逆著)雷射的方向飛出,這讓研究者能有效確認分子手性,且信號較常用方法高上近千倍。

此外,只要利用適當的載波頻率(carrier frequency)發出極短的脈衝,這個方法還可使研究者啟動手性化學反應並作即時追蹤,該技術於近期釋出後、掀起基礎物理學研究的另一波高潮,在其他領域如化學或醫學上亦能協助研究其重要性。

新聞來源:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), C´mon electrons, let´s do the twist!., 2018/2/20.

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