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近日，上海科技大學物質科學與技術學院教授劉偉民團隊與合作者一起，采用四種超快激光光譜技術及量子化學計算方法，在飛秒(10-15秒)到納秒(10-9秒)時間尺度內，以“分子電影”形式展示了光激發狀態下，一種紅色熒光蛋白（mKeima）中發光分子的超快結構變化過程。相關研究以卷首插圖形式發表于《德國應用化學》。
近兩年，劉偉民課題組利用超快激光光譜技術獲得多項亮眼成果。該團隊關于氧化石墨烯二維材料和新生兒黃疸病膽紅素光療相關超快動力學現象的兩項研究，分別以封面文章發表于《物理化學雜志C》和《物理化學快報》。
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紅色熒光蛋白中發光分子被紫光激發的動態過程。受訪者供圖
“看清”光反應過程
“簡單說，我們是用飛秒超快激光光譜技術，觀察光反應過程中分子結構的動態變化。比如，分子結構扭轉、化學鍵結合或斷裂等。”劉偉民告訴《中國科學報》，“光化學反應速度很快，‘看清’并理解飛秒時域中反應的物理化學變化，就可能控制反應進程，提高反應效率。”
劉偉民團隊主要關注生物蛋白的光反應變化。例如，光合作用中植物怎樣捕獲光能，并將其轉化為化學能；人眼中視紫紅質（一種檢測光子的膜蛋白質，它參與視覺事件）中光功能性分子有什么樣的結構動力學特質，如何進行光化學反應等。在發表于《德國應用化學》雜志的研究中，團隊用“分子電影”形式，實時展示了光激發狀態下mKeima紅色熒光蛋白中發光分子的超快結構變化。
“在自然情況下，mKeima熒光蛋白存在順式和反式兩種不同構象的發光分子，我們在實驗中觀測到,蛋白中反式發光分子產生波長620納米的紅色熒光。而順式發光分子被激發后，通過快速結構扭轉耗散掉激發的能量，只在波長520納米處產生極弱的熒光發射。”該團隊成員之一、上海科技大學博士后王子鈺介紹說，“基于上述實驗，我們提出了優化蛋白結構，提高紅色熒光效率的新思路。”
在關于新生兒黃疸病膽紅素光療超快動力學現象的研究中，劉偉民團隊用超快光譜技術，解析了膽紅素的環化反應過程。
膽紅素由血紅蛋白中血紅素代謝產生，是一種有神經毒性的人體代謝廢物。膽紅素分子由內部6個氫鍵形成緊湊、穩定的結構，因此它不溶于水，很難通過代謝排出。剛出生的幼兒肝功能尚不健全，很難將膽紅素排出體外，當血液中膽紅素積累過多，就導致黃疸病發生。臨床治療中，人們發現用波長460納米的藍光照射可以起到治療作用。盡管人們對這種光療操作已非常熟悉，卻不清楚其中的反應機理，一些傳統研究甚至得出相互矛盾的結論。
研究團隊對黃疸病光療過程中膽紅素的超快反應動力學進行深入研究，發現光照以后，膽紅素分子結構發生了一系列結構變化，導致膽紅素中部分氫鍵斷裂，這一過程被稱為“構象異構”；膽紅素經過“構象異構”形成一種可溶性膽紅素異構體，從而被代謝排出，這完美闡釋了膽紅素光化學反應的原理。
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光致還原氧化石墨烯機理。受訪者供圖
制作真正的“分子電影”
“分子電影只是一個比喻，我們可以理解為一種高速影像。”劉偉民說，“因為反應過程很快，因此要用一些技術手段將其放緩，從而‘發現它、看清它、理解它’。”
在劉偉民團隊的實驗室，有四五種飛秒超快光譜設備。實驗中，研究人員用一束光激發化學反應，然后捕捉反應分子對于不同光學信號的反應，得到結構和動力學信息。
“四五種飛秒超快光譜設備，可以獲得四五種不同的反應相關信息。這相當于四五個不同的機位拍攝，從不同角度獲得分子反應動力學的密碼，然后綜合解碼，繪制出分子電影。”劉偉民認為，“獲得信息（拍攝）相對容易些，解碼（用一些專門軟件擬合、分析得到信息）工作是其中的難點。”
2018年，該團隊即開始關于紅色熒光蛋白的研究。他們用了半年時間，采集到實驗數據，但后面解譯和分析這些數據足足花了3年時間。對這些數據進行解碼后，用量子化學計算模擬動力學變化，檢驗飛秒超快光譜實驗和計算結果是否一致，然后去繪制“分子電影”。
為將抽象的研究具象化呈現出來，劉偉民很早就鼓勵學生學習動畫制作，目的是將分子在光反應過程中的結構變化細節、化學變化過程制作成可視化的影像，成為真正意義上的“分子電影”。
“比如，我們通過動畫電影，清晰呈現了膽紅素環化反應的過程。”劉偉民說，“我們最初目的，就是要把研究的抽象概念、新的信息、看不見的光分子變化等，通過信息解碼，再用動畫的形式繪制出來。這也是我們實驗室最有趣的一部分。”
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黃疸光療中膽紅素分子原初光反應機制。受訪者供圖
期待“高清大片”
劉偉民認為，所有的科學實驗、理論假設都需要新的技術去驗證。該團隊制作的“分子電影”，仍有很多細節期待將來更先進的裝備和技術來驗證。比如，上海科技大學大科學中心主持在建的硬X射線自由電子激光裝置，將來可以“拍攝”出更清晰的“分子電影”，拍出真正的“高清分子電影”。
在劉偉民團隊100平方米的實驗室里，有四五臺超快光譜裝置。這些裝置能方便、快捷地獲得相關實驗數據。但他認為，目前傳統的超快激光光譜技術只能“看”到化學反應過程中比較模糊的結構變化信息，實際上還有更多細節的變化無法精確判斷。這些重要的信息需要有更先進的探測設備去記錄。
“就像標清電影和4K、8K高清電影的區別，現在我們‘拍’的只是普通‘分子電影’，如果用硬X射線衍射會得到更細節的信息，‘拍’出高清電影。”劉偉民說，“飛秒超快光譜的優勢是設備簡單、操作方便、經濟高效。我們可以先用它做實驗預研，得到相關的結構變化信息后，再利用大科學裝置進行細節驗證。”
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