根除实体瘤：麻省理工学院的疫苗为T细胞癌症治疗提供助力

根除实体瘤：麻省理工学院的疫苗为T细胞癌症治疗提供助力通过改造T细胞来消灭癌细胞已在治疗某些类型的癌症（如白血病和淋巴瘤）方面取得了成功。然而，它对实体瘤的治疗效果并不理想。不成功的原因之一是T细胞只针对一种抗原（肿瘤上发现的一种靶蛋白）；如果一些肿瘤细胞不表达这种抗原，它们就能逃脱T细胞的攻击。麻省理工学院的研究人员现在找到了克服这一障碍的方法，他们使用一种疫苗来增强工程T细胞（即嵌合抗原受体（CAR）T细胞）的反应，同时还能帮助免疫系统产生靶向其它肿瘤抗原的新T细胞。在对小鼠的研究中，研究人员发现这种方法更有可能根除肿瘤。Underwood-Prescott教授是麻省理工学院生物工程系和材料科学与工程系的教授，同时也是麻省理工学院Koch癌症综合研究所以及MGH、麻省理工学院和哈佛大学Ragon研究所的成员。Irvine是这项研究的资深作者，研究报告于7月5日发表在《细胞》（Cell）杂志上。论文的第一作者是LeyuanMa，她曾是科赫研究所的博士后，现任宾夕法尼亚大学医学院病理学和实验医学助理教授。工程T细胞美国食品和药物管理局已经批准了几种治疗血癌的T细胞疗法。这些疗法以CAR-T细胞为基础，CAR-T细胞被设计成显示能识别癌细胞上特定抗原的受体。为了尝试将这种治疗方法用于胶质母细胞瘤（一种脑癌），研究人员设计了靶向表皮生长因子受体突变版本的CAR-T细胞。然而，并非所有胶质母细胞瘤细胞都表达这种抗原，当受到CAR-T细胞攻击时，一些胶质母细胞瘤细胞会通过停止产生靶抗原来做出反应。在2019年的一项研究中，Irvine和他的同事通过在给小鼠注射工程T细胞后不久向其注射疫苗，增强了CAR-T细胞对胶质母细胞瘤的有效性。这种疫苗携带CAR-T细胞靶向的相同抗原，被淋巴结中的免疫细胞吸收，CAR-T细胞在淋巴结中接触到这种疫苗。在这项研究中，研究人员发现，这种疫苗促进不仅有助于工程CAR-T细胞攻击肿瘤，而且还有另一个意想不到的效果：它有助于产生靶向其它肿瘤抗原的宿主T细胞。这种被称为"抗原扩散"的现象是可取的，因为它能产生T细胞群，这些T细胞群协同工作，可以完全消灭肿瘤并防止肿瘤再生。Irvine说："这恰恰可以帮助应对实体瘤的抗原异质性，因为如果引导宿主T细胞攻击其他抗原，它们也许就能进来杀死CAR-T细胞无法杀死的肿瘤细胞。"免疫增强在他们的新研究中，研究人员希望探索额外的T细胞反应是如何被激活的。他们使用了2019年研究中相同类型的CAR-T细胞和相同的疫苗，CAR-T细胞被设计为靶向突变的表皮生长因子受体。研究中的小鼠接种了两剂疫苗，间隔一周。研究人员发现，在这些增强的小鼠中，CAR-T细胞发生了新陈代谢变化，从而增加了γ干扰素的产生，而γ干扰素是一种细胞因子，有助于刺激强烈的免疫反应。这有助于T细胞克服肿瘤的免疫抑制环境，肿瘤通常会关闭附近的T细胞。当CAR-T细胞杀死表达靶抗原的肿瘤细胞时，宿主T细胞（而非工程CAR-T细胞）遇到了这些肿瘤细胞的其他抗原，刺激宿主T细胞靶向这些抗原并帮助消灭肿瘤细胞。研究人员发现，如果没有宿主T细胞的反应，即使CAR-T细胞消灭了大部分原始肿瘤细胞，肿瘤也会重新生长。出现这种情况的原因是，接受CAR-T细胞治疗的肿瘤细胞通常会停止产生工程细胞靶向的抗原，从而躲避这些细胞的攻击。根除肿瘤研究人员随后在目标抗原水平不同的肿瘤小鼠中测试了他们的方法。他们发现，即使在只有50%的肿瘤细胞表达靶抗原的肿瘤中，通过CAR-T细胞和宿主T细胞的联合作用，仍能消灭约25%的肿瘤。靶抗原含量较高的肿瘤的成功率更高。当80%的肿瘤细胞表达CAR-T细胞靶向的抗原时，约80%的小鼠的肿瘤被消灭。这项研究中使用的技术已授权给一家名为ElicioTherapeutics的公司，该公司正致力于开发这项技术，以便在患者身上进行潜在测试。在这项研究中，研究人员重点研究了胶质母细胞瘤和黑色素瘤，但他们认为这项技术也有可能用于治疗其他类型的癌症。Irvine说："原则上，这应该适用于任何你已经生成了靶向CART细胞的实体瘤。"研究人员还在研究如何调整CAR-T细胞疗法，使其能够用于攻击尚未发现靶向抗原的肿瘤。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370277.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370277.htm

麻省理工学院研究人员在太空中发现目前最大最复杂的分子

麻省理工学院研究人员在太空中发现目前最大最复杂的分子科学家利用射线望远镜对恒星形成区NGC6334I的观测，首次在太空中发现了2-甲氧基乙醇。图片来源：研究人员提供该研究小组的开放存取论文《利用ALMA对NGC6334I的观测，旋转光谱和首次星际探测到2-甲氧基乙醇》（RotationalSpectrumandFirstInterstellarDetectionof2-MethoxyethanolUsingALMAObservationsofNGC6334I）发表在《天体物理学杂志通讯》（TheAstrophysicalJournalLetters）上。扎卡里-弗里德（ZacharyT.P.Fried）是麦奎尔研究小组的一名研究生，也是这篇论文的第一作者，他努力拼凑从全球各地收集到的拼图，从麻省理工学院延伸到法国、佛罗里达州、弗吉尼亚州和哥本哈根，从而实现了这一激动人心的发现。弗里德解释说："我们小组试图了解恒星和太阳系最终将形成的空间区域中存在哪些分子。这使我们能够拼凑出化学是如何随着恒星和行星的形成过程而演变的。我们通过观察分子的旋转光谱来实现这一目标，这是分子在太空中翻滚时发出的独特光斑。这些图案就是分子的指纹（条形码）。要探测太空中的新分子，我们首先必须知道我们要寻找的分子是什么，然后我们可以在地球上的实验室里记录下它的光谱，最后我们再利用望远镜在太空中寻找这种光谱"。麦奎尔小组最近开始利用机器学习来建议寻找好的目标分子。2023年，其中一个机器学习模型向研究人员推荐了一种名为2-甲氧基乙醇的分子。弗里德说："太空中有许多'甲氧基'分子，如二甲醚、甲氧基甲醇、甲基乙基醚和甲酸甲酯，但2-甲氧基乙醇将是迄今为止所见过的最大、最复杂的分子。"为了利用射线望远镜观测探测到这种分子，研究小组首先需要测量和分析它在地球上的旋转光谱。研究人员将里尔大学（法国里尔）、佛罗里达新学院（佛罗里达州萨拉索塔）和麻省理工学院的麦奎尔实验室的实验结合起来，测量了从微波到亚毫米波（约8到500千兆赫）频率的宽带区域的光谱。从这些测量中收集到的数据允许利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）对两个不同恒星形成区的观测来寻找该分子：NGC6334I和IRAS16293-2422B。麦奎尔小组的成员与美国国家射电天文台（弗吉尼亚州夏洛茨维尔）和丹麦哥本哈根大学的研究人员一起分析了这些望远镜的观测结果。弗里德说："最终，我们观测到25条2-甲氧基乙醇的旋转线与NGC6334I观测到的分子信号一致（条码吻合！），从而在这一来源中安全地探测到了2-甲氧基乙醇。这使我们能够推导出NGC6334I分子的物理参数，如丰度和激发温度。这也使得我们能够研究已知星际前体可能的化学形成途径。"像这样的分子发现有助于研究人员更好地理解恒星形成过程中太空分子复杂性的发展。含有13个原子的2-甲氧基乙醇在星际标准中是相当大的--截至2021年，在太阳系外只探测到6种大于13个原子的物质，其中许多是由McGuire的研究小组发现的，而且都是环状结构。Fried说："对大分子的持续观测以及随后对其丰度的推导，使我们能够进一步了解大分子的形成效率以及它们可能是通过哪些特定反应产生的。此外，由于我们在NGC6334I中探测到了这种分子，而在IRAS16293-2422B中却没有探测到，因此我们获得了一个独特的机会，来研究这两个来源的不同物理条件可能会如何影响可能发生的化学反应"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429651.htm

《侏罗纪公园》剧情成真：麻省理工学院创造出用于储存 DNA 的合成琥珀

《侏罗纪公园》剧情成真：麻省理工学院创造出用于储存DNA的合成琥珀DNA保存技术的进步在电影《侏罗纪公园》中，科学家提取了在琥珀中保存了数百万年的DNA，并用它创造了早已灭绝的恐龙种群。麻省理工学院的研究人员部分受这部电影的启发，开发出一种玻璃状、类似琥珀的聚合物，可用于长期存储DNA，无论是整个人类基因组还是照片等数字文件。目前大多数储存DNA的方法都需要冷冻温度，因此需要消耗大量能源，在世界上许多地方都不可行。相比之下，新型琥珀状聚合物可以在室温下储存DNA，同时保护分子不受热量或水的破坏。研究人员证明，他们可以用这种聚合物存储编码《侏罗纪公园》主题音乐的DNA序列以及整个人类基因组。他们还证明，DNA可以很容易地从聚合物中取出，而不会对其造成损坏。简化DNA保存技术前麻省理工学院博士后詹姆斯-巴纳尔（JamesBanal）说："冷冻DNA是保存DNA的首要方法，但这种方法非常昂贵，而且无法扩展。我认为，我们的新保存方法将成为一种可能推动未来在DNA上存储数字信息的技术"。巴纳尔和麻省理工学院A.ThomasGeurtin化学教授杰里迈亚-约翰逊（JeremiahJohnson）是这项研究的资深作者，他们的研究成果于6月12日发表在《美国化学学会学报》（JournaloftheAmericanChemicalSociety）上。麻省理工学院前博士后ElizabethPrince和麻省理工学院博士后HoFungCheng是论文的主要作者。麻省理工学院的研究人员设计出了一种将DNA封装到一种名为交联聚苯乙烯的热固性聚合物中的方法。DNA被嵌入聚合物后，可以通过用半胱胺处理聚合物再次释放出来。图片来源：研究人员提供探索新的DNA编码方法DNA是一种非常稳定的分子，非常适合存储海量信息，包括数字数据。数字存储系统将文本、照片和其他类型的信息编码为一系列0和1。同样的信息可以通过构成遗传密码的四种核苷酸编码到DNA中：例如，G和C可用来表示0，而A和T则表示1。DNA提供了一种高密度存储数字信息的方法：从理论上讲，一个装满DNA的咖啡杯就可以储存全世界的数据。DNA还非常稳定，合成和排序也相对容易。2021年，巴纳尔和他的博士后导师、麻省理工学院生物工程教授马克-巴特（MarkBathe）开发出一种将DNA储存在二氧化硅颗粒中的方法，这些颗粒可以贴上标签，显示颗粒中的内容。这项工作促成了名为"CacheDNA"的衍生公司的诞生。这种储存系统的一个缺点是，将DNA嵌入二氧化硅颗粒需要几天的时间。此外，从颗粒中移除DNA需要氢氟酸，而氢氟酸会对处理DNA的工人造成危害。用于DNA存储的创新聚合物设计为了找到替代存储材料，巴纳尔开始与约翰逊及其实验室成员合作。他们的想法是使用一种被称为可降解热固性的聚合物，这种聚合物在加热时会形成固体。这种材料还包括易于断裂的可裂解链节，使聚合物能够以可控的方式降解。约翰逊说："有了这些可解构热固性塑料，根据我们在其中加入的可裂解键，我们可以选择如何降解它们。"在这个项目中，研究人员决定用苯乙烯和一种交联剂来制造热固性聚合物，它们共同形成了一种琥珀色的热固性聚合物--交联聚苯乙烯。这种热固性聚合物还具有很强的疏水性，因此可以防止水分进入并破坏DNA。为了使这种热固性物质可以降解，苯乙烯单体和交联剂与称为亚硫酰内酯的单体共聚。通过使用一种名为半胱胺的分子对其进行处理，可以切断这些连接。T-REX方法：DNA储存的新方法由于苯乙烯非常疏水，研究人员必须想出一种方法来诱导DNA（一种亲水性、带负电荷的分子）进入苯乙烯。为此，他们找到了三种单体的组合，并将其转化为聚合物，通过帮助DNA与苯乙烯相互作用来溶解DNA。每种单体都有不同的特性，它们通力合作，使DNA离开水进入苯乙烯。在那里，DNA形成球形复合物，带电的DNA位于中心，疏水基团形成与苯乙烯相互作用的外层。加热后，这种溶液会变成玻璃状的固体块，其中嵌入DNA复合物。研究人员将他们的方法命名为T-REX（热固性强化湿保存）。研究人员说，将DNA嵌入聚合物网络的过程需要几个小时，但随着进一步优化，这个时间可能会缩短。为了释放DNA，研究人员首先加入半胱胺，半胱胺会裂解将聚苯乙烯热固性材料连接在一起的键，将其分解成小块。然后，再加入一种名为SDS的洗涤剂，这样就能在不损坏聚苯乙烯的情况下将DNA从聚苯乙烯中分离出来。DNA存储技术的未来研究人员利用这些聚合物证明，他们可以封装不同长度的DNA，从几十个核苷酸到整个人类基因组（超过50000个碱基对）。除了《侏罗纪公园》的主题音乐外，他们还能存储编码《解放奴隶宣言》和麻省理工学院徽标的DNA。在对DNA进行存储和移除之后，研究人员对其进行了测序，发现没有引入任何错误，这是任何数字数据存储系统的关键特征。研究人员还发现，这种热固性聚合物可以在高达75摄氏度（167华氏度）的温度下保护DNA。目前，他们正在研究如何简化聚合物的制作过程，并将其制成胶囊，以便长期储存。对个性化医疗和未来研究的影响CacheDNA是由Banal和Bathe创办的一家公司，Johnson是该公司科学顾问委员会的成员。他们设想的最早应用是存储用于个性化医疗的基因组，他们还预计，随着未来更好技术的开发，这些存储的基因组可能会被进一步分析。"我们的想法是，为什么不永远保存生命的主记录呢？巴纳尔说。"10年或20年后，当科技的进步远远超出我们今天的想象时，我们可以了解到越来越多的东西。我们对基因组及其与疾病的关系的了解还处于起步阶段。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436098.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436098.htm

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物

麻省理工学院研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物这项发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上的研究，是在早先研究的基础上，创造出一种可以充当麦克风并放大声音的丝绸织物。在研究过程中，研究小组意识到他们的材料还可以用来过滤声音。他们将后一个想法付诸实践。这种由压电纤维制成的特制织物几乎不比头发丝粗。当施加电压时，这种材料就会振动，如果调整得当，就能像降噪耳机一样抵消传入的声音。这种方法在狭小的空间内很有用，但在室内却不奏效。为了应对这一挑战，他们需要一种不同的方法。研究人员发现，通过使用电压使织物完全静止，可以使其变成一种声屏障，像镜子一样将声音反射回声源。在测试中，直接抑制模式（类似于降噪耳机）能够将音量降低65分贝。在"静止"模式下，声音传播降低了75%。虽然前景广阔，但在考虑商业推广之前，仍有许多工作要做。该团队需要进行更多的测试，以了解纤维数量、缝合方向和电源电压等变量的变化对性能的影响。第一作者格蕾丝-杨（GraceYang）说，这仅仅是个开始，要让这项技术真正有效，"我们还有很多旋钮可以转动"。他们还需要找出将其推向市场的最佳方法。这项研究的共同作者、麻省理工学院教授尤尔-芬克（YoelFink）告表示，这种材料现在还太新，他甚至不知道它的市场在哪里。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432682.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432682.htm

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm