博士生 Eksha Chaudhary 使用相关振动光谱装置。图片来源：Jamani Caillet

EPFL 研究人员首次专门观察了参与液态水中氢键的分子，测量了以前只能通过理论模拟才能获得的电子和核量子效应。

水是生命的代名词，但动态的、多面的互动却让水焕然一新。2O 分子在一起——氢键——仍然是个谜。当水分子之间的氢原子和氧原子相互作用时，就会产生氢键，在此过程中共享电子电荷。

这种电荷共享是三维“氢键”网络的一个关键特征，它赋予了液态水独特的特性，但迄今为止，这种网络核心的量子现象只能通过理论模拟来理解。

现在，由 EPFL 工程学院基础生物光子学实验室负责人 Sylvie Roke 领导的研究人员发表了一种新方法——相关振动光谱 （CVS），使他们能够测量水分子在参与氢键网络时的行为。

至关重要的是，CVS 使科学家能够区分此类参与（相互作用）分子和随机分布的非 H 键（非相互作用）分子。相比之下，任何其他方法都同时报告了两种分子类型的测量值，因此无法区分它们。

Roke 解释说：“目前的光谱学方法测量的是系统中所有分子的振动引起的激光散射，因此你必须猜测或假设你所看到的是由于你感兴趣的分子相互作用。

“使用 CVS，每种不同类型分子的振动模式都有自己的振动频谱。而且由于每个光谱都有一个独特的峰，对应于水分子沿 H 键来回移动，因此我们可以直接测量它们的特性，例如共享了多少电子电荷，以及 H 键强度如何受到影响。

该团队表示，该方法具有表征任何材料中相互作用的“变革性”潜力，已发表在《科学》杂志上。

为了区分相互作用和不相互作用的分子，科学家们用近红外光谱中的飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲照射液态水。这些超短的光爆发在水中产生微小的电荷振荡和原子位移，从而触发可见光的发射。

这种发射光以散射模式显示，其中包含有关分子空间组织的关键信息，而光子的颜色包含有关分子内部和分子之间的原子位移的信息。

“典型的实验将光谱检测器与入射激光束成 90 度角，但我们意识到，我们只需改变检测器位置并使用偏振光的某些组合记录光谱，就可以探测相互作用的分子。通过这种方式，我们可以为非相互作用和相互作用的分子创建单独的光谱，“Roke 说。

该团队进行了更多实验，旨在使用 CVS 来梳理 H 键网络的电子和核量子效应，例如通过添加氢氧根离子（使其更碱性）或质子（更酸性）来改变水的 pH 值。

“氢氧根离子和质子参与氢键作用，因此改变水的 pH 值会改变其反应性，”该论文的第一作者、博士生 Mischa Flór 说。

“有了 CVS，我们现在可以准确量化有多少额外的电荷氢氧根离子提供给 H 键网络 （8%），以及从中接受了多少电荷质子 （4%）——这是以前在实验中无法完成的精确测量。”

这些值是在法国、意大利和英国的合作者进行的高级模拟的帮助下解释的。

研究人员强调，他们也通过理论计算证实了该方法，可以应用于任何材料，事实上，一些新的表征实验已经在进行中。

Roke 说：“直接量化氢键强度的能力是一种强大的方法，可用于阐明任何溶液的分子级细节，例如包含电解质、糖、氨基酸、DNA 或蛋白质。“由于 CVS 不仅限于水，它还可以提供有关其他液体、系统和过程的大量信息。”

更多信息：Mischa Flór 等人，剖析水的氢键网络：电荷转移和核量子效应，科学（2024 年）。DOI：10.1126/science.ads4369

期刊信息： Science