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仿生学 我们血液的化学技巧

血红蛋白在我们体内的作用似乎很简单:它通过我们的血液输送氧分子。但这只能很好地起作用,因为血红蛋白分子非常复杂。这同样适用于叶绿素,叶绿素将太阳光转化为植物的能量。为了理解这些复杂分子的微妙技巧,值得在实验室中研究类似但更简单的结构。在TU Wien(维也纳)和来自的里雅斯特的研究小组的合作中,现在研究了酞菁,其分子环结构非常类似于血红蛋白或叶绿素的关键部分。事实证明,这些环形结构的中心可以在绿光的帮助下切换到不同的状态,这会影响它们的化学行为。这不仅有助于理解生物过程,还为实验室中的自然技巧用于其他目的开辟了新的可能性 - 一种称为“仿生学”的策略在全世界变得越来越重要。

在中心的金属原子环

“我们研究的酞菁是具有特征环结构的彩色染料,”维也纳技术大学材料化学研究所的GüntherRupprechter教授说。“这种环状结构的关键在于它可以在其中心保持一个铁原子 - 就像血红素中的血红素环状红色染料一样。另一方面,叶绿素具有捕获镁原子的类似环。”

与更复杂的天然分子相比,定制的酞菁染料可以定期并排放置在表面上,例如浴室墙壁上的瓷砖。“这些环以规则的方式放置在石墨烯层上,因此产生了一个二维的染料环晶体,”Matteo Roiaz说道,他与Christoph Rameshan一起进行了实验。“这样做的好处是我们可以同时检测许多分子,这为我们提供了更强大的测量信号,”Christoph Rameshan解释道。一氧化碳分子用作研究这些环的探针:一个分子可以附着在铁原子上,铁原子保持在环的中心。从一氧化碳分子的振动可以获得关于铁原子状态的信息。

为了研究振动,用激光照射分子 - 使用绿光和红外光的组合。这种测量产生的结果乍一看似乎非常违反直觉:“我们并不只是测量一氧化碳的单一振动频率,而是发现了四种不同的频率。没有人预料到这一点,”GüntherRupprechter说。“铁原子都是相同的,因此附着在它们上面的CO分子应该都表现出完全相同的行为。”事实证明,激光的绿光产生了显着的效果:首先,所有的铁原子确实是相同的,但与绿光的相互作用可以将它们转换为不同的状态。“这也改变了铁原子上CO分子的振荡频率,这向我们展示了这种结构对微小变化的敏感程度,”GüntherRupprechter说。“这也是我们体内生物分子具有如此复杂结构的原因:广泛分支的蛋白质成分对金属原子的状态影响很小,但这种影响极小的影响可能具有非常重要的意义。”

在室温和大气压下测量

到目前为止,类似的效果只能在极低的温度和超高真空下进行研究。“在实验室中,我们现在有两种方法可以在室温和大气压下测量这种生物学相关现象,有和没有绿灯,”Rupprechter强调说。这为更好地了解生物物质的化学行为开辟了新的可能性;它还可以开辟定制新分子的机会,以便针对自然特定的化学目的对其进行优化。

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