En enda röntgen kan avslöja en enorm molekyl, fysiker rapporterar i 17 mars numret av Fysiska granskningsbrev . Deras resultat kan leda till säkrare medicinsk bildbehandling och en mer nyanserad förståelse av tungmetallernas elektronik.

Medicinska avbildningstekniker som MRI använder tungmetaller från botten av det periodiska systemet som "färgämnen" för att göra vissa vävnader lättare att se. Men dessa metaller, kallas lantanider, är giftiga. För att skydda personen som får MRT, vissa kemister lindar in lantaniden i en bur av kolatomer.

Molekylfysikern Razib Obaid och hans mentor, Prof. Norah Berra på fysikavdelningen, ville veta mer om hur lantaniderna interagerar med kolburarna de är inslagna i. Burarna, 80 kolatomer starka, kallas fullerener och är formade som fotbollar. De binder faktiskt inte till lantaniden; metallen flyter inuti buren. Det finns många liknande situationer i naturen. Proteiner, till exempel, har ofta en metall hängande nära en gigantisk organisk (det vill säga mestadels gjord av kol) molekyl.

Så Obaid och hans team av medarbetare från Kansas State University, Pulse Institute i Stanford, Max Planck-institutet i Heidelberg, och universitetet i Heidelberg studerade hur tre atomer av lantanidelementet holmium inuti en fulleren med 80 kolatomer reagerade på röntgenstrålar. Deras första gissning var att när en röntgenstrålning först träffade en av holmiumatomerna, det skulle absorberas av en elektron. Men den elektronen skulle få så energi av den absorberade röntgenstrålningen att den skulle flyga direkt ut ur atomen, lämnar en ledig plats. Den platsen skulle än tas av en annan av holmiumets elektroner, som skulle behöva hoppa ner från atomens ytterkant för att fylla den. Den elektronen hade tidigare samarbetats med en annan elektron i utkanten av atomen. När den hoppade ner, dess ensamma ex, kallas en Auger-elektron, skulle zooma bort från hela molekylen och bli upptäckt av forskarna. Dess särpräglade energi skulle ge bort den.

Det låter komplicerat, men det skulle ha varit det enklaste (och därmed mest troliga) scenariot, tänkte fysikerna. Men det är inte vad de såg.

När Obaid och hans kollegor zappade holmium-fulleren-molekylen med en mjuk röntgenstråle (ca 160 elektronvolt), antalet detekterade Auger-elektronerna var för lågt. Och för många av elektronerna hade mycket mindre energi än Auger-elektronerna borde ha.

Efter lite beräkningar, teamet kom på att det hände mer än de hade gissat.

Först, röntgen skulle träffa holmium, som skulle förlora en elektron. Den lediga fläcken skulle då fyllas av den yttre kantelektronen från holmiumatomen. Så mycket var korrekt. Men energin som frigörs av den hoppande elektronen (när den hoppar "nedåt" från atomens utkant till det inre, den hoppar också "ned" i energi) skulle sedan absorberas av kolfullerenburen eller någon annan av de närliggande holmiumatomerna. I vilket fall, energin skulle få en extra elektron att zooma bort från det som absorberade den, fullerenburen eller holmiumatomen.

Att förlora dessa flera elektroner destabiliserade hela molekylen, som då skulle falla samman totalt.

Slutresultatet?

"Du kan orsaka strålningsskador bara genom att slå en atom av 84, " säger Obaid. Det vill säga, en enda röntgenstrålning är tillräckligt för att förstöra hela molekylkomplexet genom denna energiöverföringsprocess som involverar närliggande atomer. Det ger en viss inblick i hur strålskador uppstår i levande system, säger Obaid. Man trodde alltid att strålning skadade vävnad genom att ta bort elektroner direkt. Detta experiment visar att interaktioner mellan en joniserad atom eller molekyl och dess grannar kan orsaka ännu mer skada och sönderfall än den ursprungliga bestrålningen.

Arbetet ger också medicinska fysiker en idé om hur man kan begränsa patientens exponering för tungmetaller som används som färgämnen vid medicinsk bildbehandling. Att skydda alla delar av kroppen från strålningen förutom de som ska avbildas med tungmetallfärger kan potentiellt begränsa exponeringen för tungmetaller och strålningsskadorna, säger forskarna. Nästa steg i detta arbete skulle vara att förstå exakt hur snabbt denna interaktion med grannarna sker. Forskarna förväntar sig att det ska ske på bara några femtosekunder (10 ^-15 s).