利用时间分辨光电子圆二色性开展手性分子激发态弛豫动力学的研究

Chirality describes molecules that cannot be superimposed with their mirror image through rotation. The organic molecules which constitute living organisms are almost chiral molecules. Chiral molecules have huge differences in reactivity with their enantiomers. Different molecular stereochemical structures will cause different molecular recognitions, and finally result in the different physiological properties, this phenomenon is called chiral recognition which plays a very important role in many life processes. Observing chirality changes as they occur is an important topic of research for understanding chiral recognition dynamics.In the proposal, by taking advantage of photoelectron circular dichroism, which generated from the photoionization of chiral molecules by circularly polarized light, and combining the femtosecond pump-probe technique together, we investigate the ultrafast relaxation dynamics in photoexcited chiral molecules. We plan to achieve observing the transient chirality change with a femtosecond time-resolution, get the information about the changes of molecular configuration and comformation at the initial dynamics responsible for chiral recognition. Comparing the difference of the relaxation dynamics of chiral molecules and their enantiomers, build the connection between the molecular stereochemical structures and the specific functions. This research will help us to understand the chiral recognition dynamics and its important role in life processes, push forward the stereodynamics and the technique of PECD for sensitively detecting the chirality and the configurations of chiral molecules.

化学结构上镜像对称但又不能完全重合的分子叫做“手性分子”，构成生命体的有机分子几乎都是手性分子。手性分子与其对映异构体在反应活性上具有极大差异，这种由于分子的立体结构在生物体内引起不同的分子识别而导致不同生理性质的现象就称为“手性识别”，它在很多生命过程中都发挥着重要作用。观测分子手性的变化是开展手性识别动力学研究的重要课题。本项目拟利用手性分子被圆偏振光电离产生的光电子圆二色性，结合飞秒泵浦-探测技术，开展手性分子激发态超快弛豫动力学的研究。在飞秒时间尺度实现对分子瞬态手性变化的实时观测，推断分子在手性识别过程初期的构象和构型的变化。通过对手性分子及其对映体的超快弛豫动力学过程进行比较，建立分子立体结构与外在功能的联系。该研究有助于深入理解手性识别动力学过程以及手性识别在生命过程中的重要作用，推动分子立体动力学研究以及利用光电子圆二色性实现手性分子及其构型的灵敏检测技术的发展与进步。

手性分子因立体结构在生物体内引起不同的分子识别而导致不同生理性质的现象被称为“手性识别”，在很多生命过程中都发挥着重要作用。观测分子手性的变化是开展手性识别动力学研究的重要内容。本项目利用手性分子的光电子圆二色性开展相关研究。左旋和右旋圆偏振光作用下的光电子影像几乎具有完全相同的分布结构，光电子圆二色性则是在此基础上提取出的“极微弱信号”。因此，除了必需的高品质左旋和右旋圆偏振光，获得高品质、高稳定度的光电子影像对于光电子圆二色性的灵敏探测也极其重要。同时，发展高灵敏度高分辨的超快时间分辨的能谱测量方法，对于实现在飞秒时间尺度上对分子瞬态构型变化进行跟踪和灵敏探测也至关重要，它将有助于推动分子立体动力学研究的发展，也有助于推动利用光电子圆二色性对手性分子及其构型变化的灵敏检测技术的发展与进步。在本项目研究中，我们发展了制备和检测高品质左旋及右旋圆偏振飞秒激光脉冲的方法，搭建了千赫兹速度影像实验平台，并建立了一套全自动化高速影像探测及实验数据信号采集处理系统，实现离子/光电子影像的千赫兹数据采集和实时分析，在原有基础上将探测效率提高了100倍，极大提升了我们实验室对极微弱信号的探测效率和探测灵敏度。同时完成了可适用于圆偏振光条件下光电子影像数据分析处理系统的编写，该系统可用于光电子圆二色性相关的角度分布各项异性参数信息的提取。在实验室搭建的千赫兹速度影像仪上，基于高品质的左旋和右旋圆偏振光的制备，我们成功实现了对手性分子光电子圆二色性微弱信号的灵敏探测。采用飞秒泵浦-探测技术并结合光电子影像探测等手段，我们开展了对分子立体结构引起的激发态弛豫动力学的研究。通过发展超快时间分辨的能谱测量方法，实现了在飞秒时间尺度对分子瞬态结构变化的跟踪和灵敏探测，结合理论计算，对分子构型变化的动力学信息成功解析。本项目研究已发表期刊论文4篇，另有2篇论文正在撰写中。