تکنیک لیزر فمتوشانیهای اتم اکسیژن ناپیدا را در آب بهدست میآورد
نوشته سانجکتا موندال، Phys.org
تصویری که پیش از این هرگز دیده نشده بود، از اتمهای منفرد اکسیژن حلشده در آب ثبت شد.
دانشمندان از تکنیک لیزری پیشرفتهای به نام فلورسانس القایی لیزر ناشی از جذب دو فوتون فمتوشانیهای (fs‑TALIF) برای مشاهده و تصویربرداری مستقیم از اتمهای اکسیژن در حالت پایه در آب استفاده کردند. بهسودی، این اتمهای اکسیژن برای دهها میکروثانیه پایدار ماندند و چند صد میکرومتر به داخل مایع نفوذ کردند — رفتاری که با فرضیات علمی موجود دربارهٔ رفتار اکسیژن در محیطهای مایع مغایرت داشت.
این یافتهها که در Nature Communications منتشر شدهاند، ممکن است به پژوهشگران امکان بدهد تا روشهای نوآورانهای برای بهرهبرداری از شیمی منحصر بهفرد اتم اکسیژن بررسی کنند.
با توان اکسیداسیون قدرتمند خود، اتم اکسیژن (O) پتانسیل کاربردهای متنوعی در پزشکی، پژوهشهای بنیادی و شیمی صنعتی دارد. اما بسیاری از کاربردهای نوظهور اتم اکسیژن وابسته به واکنش این اتمها در محیطهای آبگونی هستند و درک رفتار اتمهای اکسیژن در چنین شرایطی برای دانشمندان مدتها چالشی بوده است. سوالاتی دربارهٔ سرعت واکنش آنها و چگونگی انتقال از گاز به مایع بیپاسخ ماندهاند، زیرا اندازهگیری غلظت اکسیژن در مایعات بهطیف دشوار است.
اندازهگیری اکسیژن با لیزر
مطالعات پیشین سعی در کمیتسنجی اتمهای اکسیژن حلشده در آب با استفاده از پروبهای شیمیایی داشتند. اما این تلاشها ناموفق ماند، چرا که پروبها غالباً بهدلیل تمایلات قوی اکسیداسیون تخریب میشدند یا در واکنشهای شیمیایی به گونههای واکنشی اکسیژن (ROS) تبدیل میشدند.
پژوهشگران اکنون دو هدف داشتند: اندازهگیری غلظت اتمهای اکسیژن حلشده در آب، و توسعه ابزاری که بتواند با دقت بالا، اتمهای اکسیژن را بهصورت انتخابی شناسایی و اندازهگیری کند، بدون اینکه خود تخریب گردد یا مایع را با اکسیژن مختل نماید.
فلورسانس القایی لیزر ناشی از جذب دو فوتون (TALIF)، یک تکنیک نوری که پیش از این برای کمیتسنجی گونههای اتمی واکنشی در گازها استفاده میشده، بهعنوان یک نامزد بالقوه ظاهر شد.
TALIF با استفاده از لیزری دقیقاً تنظیمشده، اتمهای در حال اندازهگیری را تحریک میکند. بهجای جذب یک فوتون، هر اتم دو فوتون را همزمان جذب میکند و انرژی ترکیبی این فوتونها، اتم را به حالت برانگیختهٔ بالاتری میبرد.
هنگیامی که اتم به حالت انرژی پایینتری بازمیگردد، انرژی اضافی را بهصورت فلورسانس — انتشار نور — آزاد میکند که ابزار میتواند آن را تشخیص دهد. میزان نور ساطعشده در این فرآیند به پژوهشگران کمک میکند تا غلظت گونههای خاص را در نمونه محاسبه کنند.
تلاشهای قبلی برای استفاده از TALIF بهمنظور اندازهگیری اتم اکسیژن در آب، ناموفق بودند، زیرا مایع بهسرعت اتمهای برانگیخته را خنثی میکرد و سیگنال را بهزیر حد تشخیصپذیری کاهش میداد.
پژوهشگران این مطالعه این مشکل را برطرف کردند و با بهکارگیری لیزر فمتوشانیهای فوقسریع، سیگنال قابلتشخیص بهدست آوردند؛ این لیزر انرژی کافی برای تحریک سریع اتمهای اکسیژن فراهم میکرد تا پیش از خنثیسازی توسط مولکولهای آب، فلورسانس خود را تولید کنند.
این تنظیمات به آنها اجازه داد تا یک لیزر فمتوشانیهای که دقیقاً به طول موج ۲۲۵.۷ نانومتر تنظیم شده بود، بر سطح آب غنیشده با اتماکسیژن از طریق جت پلاسما متمرکز کنند. هنگامی که اتمهای اکسیژن برانگیخته به حالت عادی خود بازگشتند، در طول موج ۸۴۴.۶ نانومتر فلورسانس ساطع کردند که توسط یک دوربین حساس ثبت شد.
برای تعیین غلظت واقعی اتمهای اکسیژن در آب، پژوهشگران فلورسانس اندازهگیریشده را با سیگنال زنون کالیبرشده مقایسه کردند و با استفاده از شبیهسازیهای کامپیوتری، فراوانی برخورد اتمهای اکسیژن برانگیخته با مولکولهای آب را برآورد کردند که باعث خنثیسازی فلورسانس میشد. این نتایج مجموعاً چگالی اکسیژن حلشدهای در حدود ۱۰۱۶ cm−۳ در نزدیکی سطح آب ارائه داد.
آنها همچنین مشاهده کردند که اتمهای اکسیژن مدت زمان طولانیتری زنده میمانند و عمیقتر از انتظار حرکت میکنند. پژوهشگران تأکید میکنند که این یافتههای شگفتانگیز نشاندهنده ضرورت بازنگری و بروز رسانی مدلهای موجود دربارهٔ رفتار اتمهای اکسیژن در مایعات است.
اطلاعات بیشتر: بریادن مایرز و همکاران، تصویربرداری از اتمهای اکسیژن حلشده با لیزر فمتوشانیهای، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66196-8
اطلاعات مجله: Nature Communications