麻省理工学院的新型核磁共振成像技术揭示大脑深处隐藏的光线

麻省理工学院的新型核磁共振成像技术揭示大脑深处隐藏的光线 现在，麻省理工学院的工程师们想出了一种新方法来检测大脑中这种被称为生物发光的光：他们改造了脑血管，使其表达一种蛋白质，这种蛋白质能使血管在光的作用下扩张。这种扩张可以通过磁共振成像（MRI）观察到，从而使研究人员能够精确定位光源。"我们在神经科学以及其他领域面临的一个众所周知的问题是，在深层组织中使用光学工具非常困难。"麻省理工学院生物工程、脑与认知科学以及核科学与工程学教授艾伦-贾萨诺夫（Alan Jasanoff）说："我们研究的核心目标之一就是想出一种方法，以相当高的分辨率对深层组织中的生物发光分子进行成像。"贾萨诺夫和他的同事们开发的新技术可以让研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。贾萨诺夫同时也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副研究员，他是这项研究的资深作者，研究报告发表在今天（5月10日）的《自然-生物医学工程》上。麻省理工学院前博士后罗伯特-奥伦多夫（Robert Ohlendorf）和李楠是这篇论文的主要作者。一种利用磁共振成像（MRI）检测大脑生物发光的新方法。麻省理工学院开发的这项技术可以让研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。图为血管在转导了光敏基因后呈现鲜红色。图片来源：研究人员提供生物发光蛋白存在于许多生物体内，包括水母和萤火虫。科学家利用这些蛋白质标记特定的蛋白质或细胞，然后用发光仪检测它们的发光。荧光素酶就是经常用于此目的的蛋白质之一，它有多种形式，能发出不同颜色的光。贾萨诺夫的实验室专门研究利用核磁共振成像技术为大脑成像的新方法，他们希望找到一种方法来检测大脑深处的荧光素酶。为此，他们想出了一种将脑血管转化为光探测器的方法。一种流行的核磁共振成像是通过成像大脑中血流的变化来实现的，因此研究人员设计了血管本身，使其通过扩张对光做出反应。贾萨诺夫说："血管是功能性核磁共振成像和其他无创成像技术中成像对比度的主要来源，因此我们认为可以通过光敏血管本身，将这些技术成像血管的内在能力转化为成像光的手段。"为了使血管对光敏感，研究人员设计血管表达一种叫做Beggiatoa光活化腺苷酸环化酶（bPAC）的细菌蛋白质。当暴露在光线下时，这种酶会产生一种叫做 cAMP 的分子，从而导致血管扩张。血管扩张时，会改变含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的平衡，而这两种血红蛋白具有不同的磁性。这种磁性的变化可以通过核磁共振成像检测到。BPAC 专门对波长较短的蓝光做出反应，因此它能检测到近距离内产生的光线。研究人员使用病毒载体将 bPAC 的基因专门传递给构成血管的平滑肌细胞。将这种载体注射到小鼠体内后，整个大脑大面积的血管都变得对光敏感。"血管在大脑中形成了一个极为密集的网络。大脑中的每个细胞距离血管都在几十微米之内，"贾萨诺夫说。"我喜欢用这样的方式来描述我们的方法：我们基本上把大脑的血管变成了一台三维照相机"。一旦血管对光敏感，研究人员就植入经过改造的细胞，如果存在一种叫做CZT的底物，这些细胞就会表达荧光素酶。在大鼠身上，研究人员能够通过核磁共振成像检测荧光素酶，从而发现扩张的血管。研究人员随后测试了他们的技术能否检测到大脑自身细胞产生的光，如果这些细胞被设计成能表达荧光素酶的话。他们将一种名为GLuc的荧光素酶基因植入大脑深部区域（即纹状体）的细胞中。将CZT底物注入动物体内后，核磁共振成像会显示出发光的部位。贾萨诺夫说，这项技术被研究人员称为利用血液动力学的生物发光成像技术（BLUsH），可以通过多种方式帮助科学家了解更多有关大脑的信息。其一，通过将荧光素酶的表达与特定基因联系起来，可用于绘制基因表达变化图。这有助于研究人员观察基因表达在胚胎发育和细胞分化过程中或新记忆形成时的变化。荧光素酶还可用于绘制细胞间的解剖连接图，或揭示细胞如何相互交流。研究人员现在计划探索其中的一些应用，并将该技术用于小鼠和其他动物模型。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

加州理工学院发明利用超声激活药物靶向治疗癌症的创新疗法

加州理工学院发明利用超声激活药物靶向治疗癌症的创新疗法 靶向给药方式的突破但现在，加州理工学院的两个研究小组创造出了一种全新的给药系统，他们说，这种系统可能最终让医生有能力以更有针对性的方式治疗癌症。该系统采用的药物通过超声波激活，而且只在体内需要的地方使用。该系统由化学助理教授马克斯韦尔-罗伯（Maxwell Robb）和马克斯-德尔布吕克（Max Delbrück）化学工程与医学工程教授、霍华德-休斯医学研究所研究员米哈伊尔-夏皮罗（Mikhail Shapiro）的实验室开发。在发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，研究人员展示了他们是如何将各自专业的元素结合在一起创造出这一平台的。通过合作，两个研究小组将气泡（某些细菌中充满空气的蛋白质胶囊）和机械分子（在物理力作用下会发生化学变化的分子）结合起来。夏皮罗的实验室以前曾利用气泡和超声波来对单个细胞进行成像，并精确地移动细胞。罗伯的实验室则创造出了在拉伸时会变色的机械分子，使它们能用于检测结构中的应变；还有其他机械分子，能在机械刺激下释放出较小的分子，包括药物。在这项新工作中，他们设计了一种使用超声波作为刺激的方法。在超声波的作用下，气体囊泡会破裂，在破裂的过程中，被称为"机械分子"的分子会破裂，释放出更小的、所需的分子。资料来源：加州理工学院超声激活的机械聚合物"我们考虑这个问题已经很久了，"罗伯说。"我刚到加州理工学院时，米哈伊尔和我就开始讨论超声波的机械效应。"当他们开始研究如何将机械孔和超声波结合起来时，他们发现了一个问题：超声波可以激活机械孔，但其强度过大，也会损伤邻近组织。研究人员需要的是一种能将超声波能量集中到他们想要的地方的方法。结果证明，夏皮罗的气囊技术提供了解决方案。小瓶中的气体囊泡在溶液中呈白色，在超声波作用下破裂后会变得透明。资料来源：加州理工学院在之前的研究中，夏皮罗利用了囊泡在超声波的轰击下会像钟一样振动或"响铃"的特性。然而，在目前的研究中，囊泡被敲得很响，以至于破裂，从而集中了超声波能量。这些囊泡实际上成了微小的炸弹，它们的爆炸激活了机械体。"通过超声波施力通常依赖于非常强烈的条件，这些条件会引发微小溶解气泡的内爆，"该研究的共同作者莫莉-麦克法登（23 岁，博士）说。"它们的内爆是激活机械体的机械力来源。小泡对超声波的敏感度更高。利用它们，我们发现在弱得多的超声波下也能实现同样的机械体激活"。未来的潜力和影响沙皮罗实验室的博士后助理研究员姚宇星说，这是聚焦超声首次能够在生物环境中控制特定的化学反应。姚说："以前，超声波一直被用来破坏或移动物体。但现在，它为我们开辟了一条使用机械化学的新道路。"到目前为止，该平台仅在受控实验室条件下进行了测试，但研究人员计划今后在生物体内对其进行测试。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况 麻省理工学院机械工程系教授 Xuanhe Zhao 说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声波贴纸。"图片来源：研究人员提供在最近发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项开放存取研究中，研究小组报告说，传感器可以将声波穿过皮肤传入人体，声波在人体内部器官上反射后再传回贴纸。反射波的模式可被解读为器官僵硬度的特征，贴纸可对其进行测量和跟踪。器官监测的进展"当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬，"论文的资深作者、麻省理工学院机械工程系教授赵宣和说。"有了这种可穿戴贴纸，我们就可以长时间持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内脏器官衰竭至关重要。"研究小组证明，这种粘贴传感器可以在 48 小时内持续监测器官的硬度，并检测出可能预示疾病进展的微妙变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测到大鼠急性肝功能衰竭的早期迹象。佩戴在皮肤上的小型超声波贴纸可以监测身体深处器官的硬度。麻省理工学院开发的这种传感器可以检测肝脏和肾脏衰竭等疾病的迹象以及实体瘤的进展情况。图片来源：研究人员提供工程师们正在努力将这种设计应用于人体。他们设想，这种贴纸可以用于重症监护室（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测器官移植后正在康复的病人。"我们设想，就在肝脏或肾脏移植手术之后，我们可以把这种贴纸贴在病人身上，观察器官的硬度在几天内的变化情况，"领衔作者刘孝全说。"如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重时才采取行动。"研究进行时，刘晓川是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。该研究的麻省理工学院合著者包括陈晓宇（Xiaoyu Chen）和王崇和（Chonghe Wang），以及USC南加州大学的合作者。超声弹性成像及其局限性就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，体内的组织和器官也会变得僵硬。在某些疾病的影响下，器官僵化会变得更加明显，预示着健康状况可能会急剧下降。目前，临床医生有办法利用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的僵硬程度，这种技术类似于超声波成像，技术人员在皮肤上操作一个手持探头或探棒。探头通过身体发出声波，导致内部器官轻微振动并发出声波。探头会感应到器官感应到的振动，而振动的模式可以转化为器官的晃动或僵硬程度。超声弹性成像技术通常用于重症监护病房，以监测近期接受器官移植的病人。技术人员会在手术后不久定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵化迹象和潜在的急性衰竭或排斥反应。图片来源：研究人员提供另一位资深作者、南加州大学教授周其发（Qifa Zhou）说："器官移植后，重症监护室的前72小时最为关键。传统的超声波检查需要将探头对准身体。但你无法长期持续这样做。医生可能会错过关键时刻，意识到器官衰竭时为时已晚。"研究小组意识到，他们或许能提供一种更连续、可穿戴的替代方案。他们的解决方案扩展了他们之前开发的超声波贴纸，用于对深层组织和器官进行成像。赵解释说："我们的成像贴只能捕捉纵波，而这次我们想捕捉剪切波，它能告诉你器官的刚性。"现有的超声弹性成像探头可测量剪切波或器官对声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播的速度越快，说明器官越坚硬。(想想水球和足球的反弹力）。超声波技术的创新研究小组希望将超声弹性成像技术微型化，使其适合贴在邮票大小的贴纸上。他们还希望保持与商用手持探头相同的灵敏度，手持探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器都能将传入的电场转化为传出的声波。周说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声贴纸。"研究人员精确地制造了 128 个微型传感器，并将其集成到一个 25 毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂一种由水和聚合物混合而成的具有粘性和伸缩性的材料，它能让声波几乎无损耗地进出设备。在初步实验中，研究小组在老鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集到的数据中，研究人员观察到了急性肝衰竭的明显早期迹象，随后他们通过组织样本证实了这一点。一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍。赵补充说："健康的肝脏就像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，而患病的肝脏则更像煮熟的鸡蛋。而这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。"研究小组正与临床医生合作，将这种贴纸应用于重症监护室的器官移植康复病人。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以贴在病人的皮肤上，它发出和接收的任何声波都可以由连接到贴纸上的电子设备传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。未来的应用和影响哈佛大学医学院医学副教授、布里格姆妇女医院副生物工程师 Shrike Zhang 说："这个系统的真正魅力在于，由于它现在是可穿戴的，因此可以实现低重量、可适配和长时间的持续监测，这不仅可以让病人在实现对疾病进展的长期、几乎实时监测的同时减少痛苦，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来从事其他重要工作"。他没有参与这项研究。研究人员还希望将这种贴纸改装成更便携的自封式版本，将其所有配套电子设备和处理过程小型化，装入一个稍大的贴片中。然后，他们设想病人可以在家中佩戴这种贴纸，对病情进行较长时间的连续监测，如实体瘤的进展情况，众所周知，实体瘤会随着病情的严重而变硬。"我们相信这是一个拯救生命的技术平台，"赵说。"我们认为，未来人们只需在身上贴几张贴纸，就能测量许多生命信号，并对体内主要器官的健康状况进行成像和追踪。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的AI突破：对抗MRSA的新型抗生素先锋

麻省理工学院的AI突破：对抗MRSA的新型抗生素先锋 利用一种被称为深度学习的人工智能，麻省理工学院的研究人员发现了一类化合物，这种化合物可以杀死一种耐药细菌，这种细菌每年导致美国一万多人死亡。在最近发表于《自然》（Nature）的一项研究中，研究人员发现这些化合物可以杀死在实验室培养皿中生长的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），以及在两种 MRSA 感染小鼠模型中生长的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。这些化合物对人体细胞的毒性也很低，因此特别适合作为候选药物。这项新研究的一个关键创新点是，研究人员还弄清了深度学习模型在预测抗生素效力时使用了哪些信息。这些知识可以帮助研究人员设计出更多的药物，它们可能比模型识别出的药物效果更好。"我们的洞察力在于，我们可以看到模型学习到了什么，从而预测出某些分子会成为很好的抗生素。"麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）和生物工程系的特米尔医学工程与科学教授詹姆斯-柯林斯（James Collins）说："我们的工作提供了一个框架，从化学结构的角度来看，它既省时、省资源，又具有机理上的洞察力。"这项研究是麻省理工学院"抗生素-人工智能项目"（Antibiotics-AI Project）的一部分，该项目由柯林斯领导。该项目是麻省理工学院抗生素-人工智能项目的一部分。该项目由柯林斯领导，其任务是在七年内发现针对七种致命细菌的新型抗生素。用人工智能应对 MRSA在美国，每年有超过 8 万人感染 MRSA，它通常会引起皮肤感染或肺炎。严重病例可导致败血症，这是一种可能致命的血液感染。在过去几年里，柯林斯和他在麻省理工学院阿卜杜勒-拉蒂夫-贾米尔健康机器学习诊所（Jameel Clinic）的同事们开始利用深度学习尝试寻找新的抗生素。他们的工作已经产生了针对鲍曼不动杆菌（一种常见于医院的细菌）和许多其他耐药细菌的潜在药物。这些化合物是利用深度学习模型确定的，该模型可以学习识别与抗菌活性相关的化学结构。然后，这些模型会筛选数百万种其他化合物，预测哪些化合物可能具有较强的抗菌活性。事实证明，这类搜索富有成效，但这种方法的一个局限是，模型是"黑盒子"，也就是说，无法知道模型是根据什么特征进行预测的。如果科学家们知道模型是如何做出预测的，他们就能更容易地找出或设计出更多的抗生素。黄说："我们在这项研究中要做的就是打开黑盒子。这些模型由大量模拟神经连接的计算组成，没有人真正知道这底下发生了什么"。提高人工智能的预测准确性首先，研究人员使用大幅扩展的数据集训练了一个深度学习模型。他们通过测试约 3.9 万种化合物对 MRSA 的抗生素活性生成了这些训练数据，然后将这些数据以及化合物的化学结构信息输入模型。Wong说："基本上可以将任何分子表示为化学结构，还可以告诉模型该化学结构是否具有抗菌性。这个模型是在许多这样的例子中训练出来的。如果你给它任何新的分子、新的原子和化学键排列，它就能告诉你该化合物被预测为抗菌的概率。"为了弄清该模型是如何做出预测的，研究人员采用了一种被称为蒙特卡洛树搜索的算法，这种算法已被用来帮助使其他深度学习模型（如AlphaGo）更易于解释。这种搜索算法不仅能让模型对每种分子的抗菌活性做出估计，还能预测该分子的哪些亚结构可能会产生这种活性。人工智能驱动的药物发现过程为了进一步缩小候选药物的范围，研究人员又训练了三个深度学习模型，以预测化合物是否对三种不同类型的人体细胞有毒。通过将这些信息与抗菌活性预测相结合，研究人员发现了既能杀死微生物，又能对人体产生最小不良影响的化合物。利用这组模型，研究人员筛选了大约 1200 万种化合物，所有这些化合物都可以在市场上买到。根据分子中的化学子结构，模型从这些化合物中识别出了五种不同类别的化合物，这些化合物预计对 MRSA 具有活性。有希望的成果和未来方向研究人员购买了大约 280 种化合物，并对它们进行了针对在实验室培养皿中生长的 MRSA 的测试，从而确定了同一类中的两种似乎非常有希望成为候选抗生素的化合物。在两种小鼠模型（一种是 MRSA 皮肤感染模型，另一种是 MRSA 全身感染模型）的测试中，每种化合物都能将 MRSA 的数量减少 10 倍。实验发现，这些化合物似乎通过破坏细菌在细胞膜上维持电化学梯度的能力来杀死细菌。许多关键的细胞功能都需要这种梯度，包括产生 ATP（细胞用来储存能量的分子）的能力。柯林斯实验室在 2020 年发现的一种候选抗生素Halicin似乎也是通过类似的机制发挥作用的，但它对革兰氏阴性细菌（细胞壁较薄的细菌）具有特异性。MRSA 是一种革兰氏阳性细菌，细胞壁较厚。Wong说："我们有相当有力的证据表明，这种新的结构类药物通过选择性地消散细菌中的质子动力，对革兰氏阳性病原体具有活性。这些分子选择性地攻击细菌细胞膜，而不会对人类细胞膜造成实质性损害。我们大幅增强的深度学习方法使我们能够预测这一类新结构的抗生素，并发现它对人类细胞没有毒性。"研究人员与Phare Bio 分享了他们的研究成果，Phare Bio 是柯林斯等人创办的非营利组织，也是抗生素人工智能项目的一部分。该非营利组织目前计划对这些化合物的化学特性和潜在临床用途进行更详细的分析。与此同时，柯林斯的实验室正在根据新研究的结果设计更多的候选药物，并利用这些模型寻找能杀死其他类型细菌的化合物。Wong说："我们已经在利用基于化学子结构的类似方法来重新设计化合物，当然，我们也可以随时采用这种方法来发现针对不同病原体的新型抗生素。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

血流成像手表可以随时随地查看体内血液情况

血流成像手表可以随时随地查看体内血液情况  高分辨率光声成像技术已缩小到能装进手表里光声成像的工作原理是这样的。首先，物体吸收光，这里是激光脉冲。被吸收的光能转化为热能，产生温升。然后，热弹性膨胀产生可探测的声波。超声波成像和光声成像的区别在于，前者能识别解剖结构，而后者则能获得分辨率更高的功能和结构图像。由于光声成像可以穿透2-3厘米（0.8-1.2英寸）深的组织，它已被用于扫描血管、估算血液含氧量（血氧饱和度）以及诊断皮肤病和癌症。中国南方科技大学（SUSTech）的研究人员开发出了一种光声成像装置，其体积小到可以装在手表里。"虽然光声成像对血液动力学的变化极为敏感，但成像接口的小型化和优化困难重重，限制了可穿戴光声设备的发展，"概述研究人员新系统的研究报告通讯作者奚磊说。"据我们所知，这是首个适合医疗保健应用的光声可穿戴设备"。光声手表能捕捉皮肤血管的高分辨率图像血液动力学是血液流动的动力学。记录心率、血压和血氧饱和度等血液动力学参数可以衡量心脏的工作状况。研究人员的设备包括一块带有成像界面的手表、一台手持电脑和一个装有激光器和电源的背包（背包重量为 7 千克/15 磅）。它的设计允许佩戴者自由移动。该设备的激光焦点可调整，这意味着它能够对皮肤等多层结构成像，其 8.7 微米的分辨率足以在直径约 3 毫米的最大视野内对皮肤中的大多数微小血管成像。志愿者佩戴光声装置在不同条件下进行测试，如行走时或袖带暂时阻断手臂血流时。测试表明，该系统可用、小巧、稳定，可以自由移动。背包内装有设备的激光供应器和电源，重 15 磅。"像我们开发的这种微型可穿戴成像系统有可能被社区卫生中心用于疾病的初步诊断，或在医院环境中用于血液循环相关参数的长期监测，为各种疾病的治疗提供有价值的见解，"奚磊说。"随着进一步开发，这种系统还可用于早期检测牛皮癣和黑色素瘤等皮肤病，或分析烧伤情况。"研究人员正在努力研制一种激光源更小、脉冲重复率更高的系统，这将使系统更加紧凑、轻便，同时提高安全性和分辨率。最终，这将包括抛弃背包。鉴于现代激光二极管技术和电子信息技术的飞速发展，研制出更先进、更智能、不需要背包的光声手表应该是完全可行的。他们还希望改进设备，使其能够承受更剧烈的体力活动，如跑步和跳跃。此外，他们还希望加入更多血液动力学参数，包括对血管数量和体积的定性评估，这将有助于该系统用于癌症和心血管疾病的早期诊断。这项研究发表在《光学通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

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 Yogesh Surendranath 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（Noah Lewis）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 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 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： 手机版：