全球首次：美国科学家用超快激光捕捉水中的原子氧

尖端激光成像技术终现水中难以捉摸的原子氧。

科学家首次成功捕捉到溶解于水中的单个原子氧的图像，这项先进的激光技术揭示了这种高活性物质以往未知的行为。

这一突破为原子氧在水环境中的运动与存活提供了直接视觉证据。该领域的测量长期以来被认为近乎不可能实现。

原子氧以其强氧化性著称，在医学、工业化学及基础研究中具有关键作用。然而，由于氧原子难以在不干扰其研究条件的情况下被探测，其在液体中的行为一直未被充分理解。

此前，研究人员缺乏能够直接测量水中原子氧浓度且不会导致其降解或引发副反应的工具。

突破瓶颈的激光方法

多年来，量化水中原子氧的尝试依赖于化学探针，但这些方法屡屡失败，因为原子氧的高反应性要么会破坏探针，要么将其转化为其他活性氧物种。研究人员需要一种能选择性探测原子氧且不破坏水环境的方法。

据《物理学家组织网》报道，研究团队转向了双光子吸收激光诱导荧光技术。该技术此前已用于气体中原子种类的测量，其原理是通过双光子同时激发原子，使其跃升至更高能态。当原子回落至基态时会释放荧光信号，从而揭示其存在与浓度。

然而，早期在液体中使用TALIF的尝试均未成功，因为水会迅速猝灭受激氧原子的荧光。发表在《自然·通讯》上的新研究通过使用超快飞秒激光克服了这一难题。这种极短脉冲能提供足够能量激发原子，使其在周围水分子猝灭前发出荧光。

研究人员将精确调谐的225.7纳米飞秒激光射入由等离子射流产生的富原子氧水中。受激氧原子弛豫时释放出844.6纳米的荧光，被高灵敏度相机系统捕获。

通过将信号与校准的氙参考值对比，并模拟计算水分子碰撞猝灭荧光的速度，团队测得了水表面附近的原子氧浓度，其溶解氧密度约为10¹⁶ cm⁻³量级。

水中出人意料的稳定性

除了探测到原子氧，研究人员还观察到了挑战传统认知的现象：氧原子在水中可稳定存在数十微秒，时间远超预期，并能向水中移动数百微米。现有化学模型曾认为原子氧进入液体环境后会立即反应，因此其运动能力与存留时间令人意外。

研究结果表明，水中原子氧的化学行为比以往认为的更复杂，这对依赖可控氧化反应的技术具有潜在影响。由于许多新兴应用涉及原子氧与液体的相互作用，理解其运动与存活机制至关重要。

作者指出，实验中观察到的超长存留时间与移动距离表明，亟需修正现有水体系中氧行为的模型。飞秒-TALIF技术为直接研究这些过程提供了新路径，实现了以往方法无法达到的精度水平。

凭借这一新工具，研究人员有望更清晰地探索原子氧的特殊化学性质，为未来科学及其他领域的应用指引方向。

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