《Scientific Reports》：Photoinduced proton transfer in differently structured water: an EPR approach to solving a classic problem
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本刊推荐：为探究水结构对质子传递（PT）机制的影响，研究人员采用电子顺磁共振（EPR）技术，通过光解2-硝基苯甲醛在亚纳秒级生成质子，发现6 M Gdn·HCl使PT速率降低40倍。该研究为揭示冰和蛋白质中PT动力学提供了新方法。
两百多年前，Grotthuss提出的质子传递（Proton Transfer, PT）模型至今仍是化学与生物学领域的热点议题。质子在水溶液中的传递机制如同微观世界的"接力赛"，但其传递速率如何受水分子排列方式影响，一直是未解之谜。尤其在生物体内，水分子在蛋白质周围会形成特殊的结构化网络，这些"结构化水"如何调控质子传递过程，直接关系到酶催化效率、细胞信号转导等关键生理功能。
传统研究面临两大难题：一是难以在极短时间内（亚纳秒级）精准生成并追踪质子；二是缺乏有效手段区分不同水结构环境对传递过程的影响。正是为了攻克这些难题，研究人员将目光投向了电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance, EPR）这一利器。他们创新性地将光解技术与pH敏感型稳定氮氧自由基探针相结合，如同为质子传递过程安装了"高速摄像机"，首次实现了在亚纳秒时间尺度观测不同水环境中质子的"奔跑"速度。
该研究发表于《Scientific Reports》，其创新之处在于构建了一个精密的"质子发生器"系统：通过紫外光触发2-硝基苯甲醛分解，在精确控制的时刻释放质子；同时利用对pH变化极其敏感的氮氧自由基作为"分子探针"，通过EPR检测自由基信号变化来反推质子传递速率。这种方法使得研究人员能够像观察体育比赛中的慢动作回放那样，精确捕捉到质子在不同水分子"赛道"上的传递轨迹。
主要技术方法包括：利用光解2-硝基苯甲醛在亚纳秒级生成质子；采用pH敏感型稳定氮氧自由基作为探针；通过电子顺磁共振（EPR）监测质子传递过程；在8 M尿素、6 M盐酸胍（Gdn·HCl）和氯化钾（KCl）等不同水溶液环境中进行对比研究。
研究结果
通过对比不同水环境中的质子传递速率，研究人员发现了一个令人惊讶的现象：在6 M Gdn·HCl溶液中，质子传递速率比在纯水中慢了整整40倍。这种剧烈的减速效应揭示了水结构对质子传递的深远影响。Gdn·HCl作为典型的离液剂，能够破坏水分子间的氢键网络，使原本有序的水结构变得松散无序，从而显著阻碍了质子的"跳跃"传递。
在8 M尿素溶液中的实验结果同样支持这一结论。尿素虽然也是常用的变性剂，但对水结构的破坏方式与Gdn·HCl有所不同。研究发现，尿素环境下的质子传递速率减幅相对较小，这说明不同的水结构扰动方式对质子传递的影响存在差异性，为进一步理解水分子排列与质子传递的构效关系提供了重要线索。
值得注意的是，在氯化钾溶液中，质子传递速率的变化相对温和。作为经典的盐析剂，KCl对水结构的影响程度较弱，这从侧面印证了水分子网络的完整性与质子传递效率之间的正相关关系。这些结果共同表明，水分子之间的氢键网络如同质子的"高速公路"，任何对这条公路的破坏都会直接影响到质子的通行效率。
研究结论与讨论
该研究通过创新的实验方法证实了水分子结构是调控质子传递速率的关键因素。特别是在生物体系中，蛋白质表面的水化层往往具有特殊的结构特征，这些"结构化水"很可能在生物分子识别、酶催化等过程中扮演着质子传递"调节器"的角色。例如，在低温条件下，水分子会形成更加规则的冰晶结构，这可能为解释生物体在低温环境下的代谢调控提供新视角。
更重要的是，该方法的时间分辨率达到亚纳秒级，使其能够捕捉到传统技术难以观测的快速质子传递事件。这为探索蛋白质内部质子通道、生物能量转换系统中的质子泵等关键科学问题打开了新的窗口。未来，研究人员计划将这一技术应用于更复杂的生物体系，如膜蛋白中的质子转运机制研究，有望在能源转换、药物设计等领域产生深远影响。
这项研究不仅为经典的Grotthuss理论提供了实验证据，更重要的是建立了一个普适性的研究范式。通过将光解产酸技术与EPR检测相结合，实现了对质子传递过程的"时空双分辨率"观测。这种创新方法就像为科学家们配备了一台能够同时捕捉质子运动轨迹和周围水分子动态的"超级显微镜"，必将推动质子传递研究进入一个新的发展阶段。
