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为解决光合作用中 O - O 键形成机制不明的问题，作者[第一作者单位] 研究人员开展 PS II 中 OEC 催化循环的研究。结果发现 O - O 键或在电子转移前形成，该成果对人工光合作用催化剂研发意义重大，推荐科研读者阅读。
在奇妙的大自然中，绿色植物、藻类和蓝细菌（cyanobacteria）如同神奇的魔法师，通过光合作用，将光能转化为化学能。这个过程可不简单，它们不仅向大气中释放氧气（O?），还能固定二氧化碳（CO?），对维持地球的生态平衡起着至关重要的作用。而在光合作用的舞台上，有一个关键角色 —— 光系统 II（Photosystem II，PS II）。它就像一个精密的工厂，其中的放氧复合体（oxygen - evolving complex，OEC）负责催化光驱动的水分解反应，把水变成质子（H?）、电子（e?）和氧气 。
OEC 里有一个神秘的 Mn?Ca 簇，它在整个反应过程中扮演着核心角色。随着 OEC 在五个所谓的 S 状态（S? – S?）间循环，电子不断被提取，这一过程对应着锰的氧化。然而，尽管科学家们已经对这个反应有了不少了解，但其中 O - O 键形成的关键步骤，却依旧像被一层神秘的面纱所笼罩，让人难以看清它的真面目。这个小小的 O - O 键形成过程，不仅关乎基础生物物理学的奥秘，对于应用清洁能源研究，比如人工光合作用中催化剂的开发，也有着深远的影响。正因为如此，解开 O - O 键形成机制的谜题，成了众多科研人员梦寐以求的目标。
为了攻克这个难题，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《Journal of Chemical Sciences》期刊上发表了题为《论文原文标题》的论文。他们通过一系列实验研究，得出了令人瞩目的结论：O - O 键很可能在最终的电子转移步骤之前就已经形成，并且发现了该过程的多步骤特性。这一发现就像一把钥匙，为我们打开了理解光合作用机制的新大门，对人工光合作用催化剂的研发有着重要的指导意义。
研究人员在这项研究中使用了多种先进技术方法。其中，时间分辨 X 射线发射光谱（time - resolved X - ray emission spectroscopy）是关键技术之一，它对 Mn?Ca 中心的电子结构变化极为敏感，能够以微秒级的时间分辨率追踪 OEC 的催化循环过程。同时，研究人员还利用了纳米升按需滴样系统和新开发的 von Hamos 光谱仪，这些设备为高分辨率、高通量的数据采集提供了有力支持。
下面我们来详细看看研究人员的发现。
1. D?O 对 Kok 循环动力学的影响
研究人员知道，使用 D?O 缓冲液会影响 Kok 循环的动力学。有些步骤涉及质子耦合电子转移（proton - coupled electron transfer，PCET），D?O 的影响可以通过动力学同位素效应（kinetic isotope effect，KIE）来解释。例如，在 S? - 到 - S?的转变过程中，就存在明显的 KIE，不同研究对菠菜相关样本的测量结果显示，KIE 在 1.3 - 2.3 之间。对于 S? - 到 - S?的转变，虽然之前的光学瞬态吸收测量发现半衰期延长到了约 1.8 ms，但早期动力学（0 - 500 μs）由于多种光学成分的可能重叠而未被深入分析。为了更深入了解其中的机制，研究人员开展了在 D?O 缓冲液中的 PS II 的时间分辨 X 射线发射光谱（TR - XES）实验。
2. TR - XES 分析 Kok 循环
研究人员通过 TR - XES 对 PS II 在 D?O 缓冲液中的 Kok 循环进行了分析。Mn Kβ 光谱发射线能够反映未成对 3d 电子的数量，从而提供关于锰离子氧化态和自旋态的信息，这是像 X 射线晶体学等结构方法无法做到的。在实验中，0F 代表 OEC 的初始暗稳定 S?状态（Mn?III Mn?IV ），随着激光闪光次数增加，OEC 发生氧化，光谱向低能量方向移动。例如，1F 时 S?氧化为 S?（MnIIIMn?IV ），2F 时实现 2e?氧化，大部分转变为 S?状态（Mn?IV ），而且 2F 的 XES 光谱在所有测量的 S 状态中向低能量方向移动得最多，表明 S?状态是 Mn?Ca 簇的最高氧化态。
3. S?到 S?转变过程中的光谱变化
在 S?到 S?的转变过程中，研究人员有了重要发现。之前在 H?O 中的研究发现，在这个转变过程中早期（约 50 - 200 μs）会出现光谱变化，而在本次研究中，在 D?O 缓冲液中同样检测到了这种快速（约 50 μs）的光谱变化，并且这种变化持续到约 500 μs，此时 TyrZ??的状态变化还未被检测到。这表明在 S? → S?转变的早期（约 50 - 500 μs），电子结构的演化受 KIE 的影响不大，而 TyrZ??的还原步骤则被延迟了。此外，研究人员还发现 3F???μs 的光谱与 2F 相似，他们推测这可能是由于 Kok 循环中部分 S?中心向 S?的转化延迟（t?/? ～ 320 μs ），而 3F???μs 的光谱则显示出明显的高能量移动，这与 D?O 中 “Mn 还原” 中间体的积累一致。
4. O - O 键形成机制与 KIE
研究人员发现，与 O - O 键形成相关的反应机制中，通过自由基耦合（radical coupling，RC）形成 O - O 键的机制具有最小的 KIE（约 1）。他们的研究数据表明，在 D?O 中，由于与 TyrZ??反应较慢，所提出的 S?OOTyrZ??状态的寿命延长至 500 μs。这种早期出现且存在时间延长的过氧物种，为通过其他时间分辨光谱技术（如时间分辨红外光谱和时间分辨 X 射线衍射）对其进行表征提供了可能。
5. 与其他研究的对比及解释
研究人员还将本次研究结果与之前的研究进行了对比。虽然之前的研究在理解 S?状态的分子性质方面取得了进展，但对于 3F 之后 O?释放过程的研究还比较缺乏。新的时间分辨 X 射线衍射（TR - XRD）研究虽然无法确定 O - O 键形成的具体机制，但提供了 OEC 在 S? - 到 - S?转变过程中的结构变化信息，如 S?状态及转变中间体中 Mn1 - Mn4 距离的变化。研究人员通过结合 O - O 键形成和 OH?掺入 Mn4 - Mn3 桥的过程，解释了理论预测与实验测量在距离趋势上的差异。
总的来说，研究人员利用新的样品递送系统和光谱仪收集的 TR - XES 数据，展现出与之前研究一致的光谱趋势。他们发现 2F 样品之后没有进一步的氧化，3F 状态导致 XES 光谱在约 50 - 500 μs 内发生快速变化，这可以解释为过氧化物的形成。这种变化在 D?O 中的起始时间没有延迟，这可能意味着 O - O 键形成的 RC 机制。而且，这种状态的寿命延长到至少约 500 μs，为其他光谱和结构表征提供了机会。这项研究成果为我们理解光合作用中 O - O 键的形成机制提供了重要线索，就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续人工光合作用催化剂的研发指引了方向，有望推动清洁能源领域的进一步发展。
