全球首次：美國科學家用超快激光捕捉水中的原子氧

尖端激光成像技術終現水中難以捉摸的原子氧。

科學家首次成功捕捉到溶解于水中的單個原子氧的圖像，這項先進的激光技術揭示了這種高活性物質以往未知的行為。

這一突破為原子氧在水環境中的運動與存活提供了直接視覺證據。該領域的測量長期以來被認為近乎不可能實現。

原子氧以其強氧化性著稱，在醫學、工業化學及基礎研究中具有關鍵作用。然而，由于氧原子難以在不干擾其研究條件的情況下被探測，其在液體中的行為一直未被充分理解。

此前，研究人員缺乏能夠直接測量水中原子氧濃度且不會導致其降解或引發副反應的工具。

突破瓶頸的激光方法

多年來，量化水中原子氧的嘗試依賴于化學探針，但這些方法屢屢失敗，因為原子氧的高反應性要么會破壞探針，要么將其轉化為其他活性氧物種。研究人員需要一種能選擇性探測原子氧且不破壞水環境的方法。

據《物理學家組織網》報道，研究團隊轉向了雙光子吸收激光誘導熒光技術。該技術此前已用于氣體中原子種類的測量，其原理是通過雙光子同時激發原子，使其躍升至更高能態。當原子回落至基態時會釋放熒光信號，從而揭示其存在與濃度。

然而，早期在液體中使用TALIF的嘗試均未成功，因為水會迅速猝滅受激氧原子的熒光。發表在《自然·通訊》上的新研究通過使用超快飛秒激光克服了這一難題。這種極短脈沖能提供足夠能量激發原子，使其在周圍水分子猝滅前發出熒光。

研究人員將精確調諧的225.7納米飛秒激光射入由等離子射流產生的富原子氧水中。受激氧原子弛豫時釋放出844.6納米的熒光，被高靈敏度相機系統捕獲。

通過將信號與校準的氙參考值對比，并模擬計算水分子碰撞猝滅熒光的速度，團隊測得了水表面附近的原子氧濃度，其溶解氧密度約為101? cm?3量級。

水中出人意料的穩定性

除了探測到原子氧，研究人員還觀察到了挑戰傳統認知的現象：氧原子在水中可穩定存在數十微秒，時間遠超預期，并能向水中移動數百微米。現有化學模型曾認為原子氧進入液體環境后會立即反應，因此其運動能力與存留時間令人意外。

研究結果表明，水中原子氧的化學行為比以往認為的更復雜，這對依賴可控氧化反應的技術具有潛在影響。由于許多新興應用涉及原子氧與液體的相互作用，理解其運動與存活機制至關重要。

作者指出，實驗中觀察到的超長存留時間與移動距離表明，亟需修正現有水體系中氧行為的模型。飛秒-TALIF技術為直接研究這些過程提供了新路徑，實現了以往方法無法達到的精度水平。

憑借這一新工具，研究人員有望更清晰地探索原子氧的特殊化學性質，為未來科學及其他領域的應用指引方向。

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