飞秒激光成像揭示水合氧原子长寿命特性及其在生物医学中的应用潜力

《Nature Communications》：Imaging solvated oxygen atoms with a femtosecond laser

为解决水溶液中氧原子(Oaq)难以直接检测的难题，研究人员采用飞秒双光子吸收激光诱导荧光(fs-TALIF)技术，首次实现对液态水中基态氧原子的直接成像。研究发现氧原子在水中可稳定存在数十微秒，穿透深度达数百微米，其寿命远超预期。该研究为定量分析水溶液中活性原子物种提供了突破性方法，对生物医学和工业应用中活性氧物种的精准调控具有重要意义。

　　

在生物医学和工业应用领域，原子氧(O)因其强大的氧化能力而备受关注。然而，由于缺乏直接检测水溶液中氧原子(O_aq)的有效方法，科学家们对其在水环境中的基本行为参数——如反应速率、扩散系数和亨利定律常数等——知之甚少。传统化学探针法存在选择性差、易被氧原子降解等问题，导致对O_aq特性的认识一直存在空白。这种认知局限严重制约了原子氧在癌症治疗、材料加工等领域的精准应用。

为解决这一技术瓶颈，由Brayden Myers领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了突破性研究成果。他们创新性地将飞秒双光子吸收激光诱导荧光(fs-TALIF)技术应用于液相体系，首次实现了对水溶液中基态氧原子的直接成像与定量分析。

研究团队采用了几项关键技术：使用COST参考微等离子体源产生稳定氧原子流；搭建飞秒激光系统(225.7 nm激发波长)与增强型CCD(ICCD)检测系统；通过时间门控技术区分气液相信号；结合第一性原理分子动力学(AIMD)模拟计算碰撞淬灭速率；采用氙(Xe)校准法进行绝对密度定量。

检测水合氧原子

通过精确控制激光波长(225.7 nm on-resonance vs 224.7 nm off-resonance)和ICCD门控时间(0 ns vs 3 ns延迟)，研究人员成功区分了氧原子在气相和液相中的荧光信号。实验发现，水中的荧光信号在激光脉冲后3 ns内完全淬灭，而气相信号仍持续存在，证实了检测到的确实是水合氧原子。寿命测量显示O_aq的等效辐射寿命小于0.25 ns，远低于气相氧原子的1-5 ns，反映了液相环境的高效淬灭效应。

水合氧原子密度校准

研究团队建立了创新的密度校准方法：通过比较气液相TALIF信号强度，并结合AIMD模拟计算的碰撞频率(1.45×10¹¹ s^-1)，推导出O_aq的有效分支比为1.99×10^-4。校准结果显示，水表面附近的氧原子密度达到10¹⁶ cm^-3量级，为后续定量研究奠定了基础。

水中氧的空间分布图谱

水平扫描实验揭示了氧原子在气-水界面的传输规律：在气体流垂直冲击水面的区域(x<0.5 mm)，O_aq浓度最高且穿透深度达0.4 mm；而在气流平行于水面的区域，仅通过扩散传输的氧原子穿透深度不足0.5 μm。这一空间分布特征证实了诱导流动对氧原子深层渗透的关键作用。

研究结论表明，水合氧原子在水中具有惊人的稳定性，其寿命可达数十微秒，这颠覆了传统认为氧原子会迅速与水分子反应的认知。通过实验数据估算的亨利定律常数H_O^CC≈10，处于其他非金属原子(如H、F、Br等)的亨利常数范围内，进一步验证了结果的合理性。

这项研究的科学意义重大：fs-TALIF技术首次实现了对水溶液中活性原子物种的直接定量检测，为研究氮(N)、氢(H)等其它活性原子在水相环境中的行为提供了通用平台。建立的定量方法可用于精确测定反应速率、扩散系数等关键参数，将极大推动等离子体医学、水相催化等交叉领域的发展。特别是对癌症治疗中活性氧物种的精准调控、环境治理中污染物的高效降解等应用，提供了重要的理论基础和技术支撑。