マグネシウムイオンは、短い長さのスケールで水の動きを遅くします

May 23, 2023

2022 年 10 月 12 日

Forschungsverbund Berlin eV (FVB) による

イオンの存在は、さまざまな長さおよび時間スケールで水の構造とダイナミクスに影響を与えます。 超高速分光法と理論分析による新たな結果は、マグネシウムイオンと硫酸イオンの特定のペアの水環境が水溶液の動態に決定的な影響を与えることを示しています。

生化学および細胞プロセスの本来の媒体である液体の水は、水素結合によって結合された極性分子の複雑なネットワークで構成されています。 水は溶質の存在に反応して局所構造を変化させます。 液体の水に対するマイナスおよびプラスに帯電したイオンの影響は、通常、周囲の水を構造化する能力、または水の構造を破壊する能力に基づいてイオンをランク付けするホフマイスター シリーズによって分類されます。

ホフマイスターシリーズの顕微鏡的な起源と分子機構は、長年の研究にもかかわらず、議論の余地があります。 ただし、ホフマイスター シリーズは、水に溶解した生体分子にイオンが及ぼす影響を特徴付けるため、非常に関連性があります。

最近の実験とシミュレーションにより、周囲の水分子の動態に対するイオンの影響が非常に複雑であることが明らかになりました。 ACS Physical Chemistry Au誌に掲載されたこの研究は、分光実験と分子の相互作用と動力学の詳細な理論分析を組み合わせたものです。

ベルリンのマックス ボルン研究所、ベルリン自由大学、ミュンヘンのルートヴィヒ マクシミリアン大学の研究者らは、硫酸 (SO42-) イオンの非対称伸縮振動を局所感知プローブとして使用し、環境の動的特性をマッピングしました。 これに関連して、水和硫酸イオンは鉱物中に一般的に見られ、生理学および生化学において非常に重要であるため、典型的なモデル系である。

局所的な水和環境に関する情報を得るために、研究者らはフェムト秒時間領域での二次元赤外分光法の実験手法を使用し、ナトリウム (Na+) またはマグネシウム (Mg2+) イオンの存在下での硫酸イオンの挙動を比較しました。イオン濃度が低い。

彼らは、Mg2+ イオンの存在により、硫酸イオン周囲の水殻の超高速変動が減少し、Na2SO4 水溶液と比較して水和 MgSO4 の溶媒和ダイナミクスの特異的な減速につながることを発見しました。

広範なシミュレーションにより、観察されたダイナミクスの微視的な視点が提供され、水のダイナミクスの減速が水和シェル内の水分子を共有するSO42-Mg2+イオンペアの構造的特徴から生じるという分子像が明らかになりました。

文献で広く知られている説明とは対照的に、記載されている影響は短期間であり、硫酸イオンの周囲の最初の 1 ～ 2 層の水層に限定されています。 水の構造に対するイオンの種類の影響を分類するホフマイスターシリーズとは対照的に、新しい結果は、特定のイオンペアの個々の溶媒和幾何学が希薄水系の動態に特に関連していることを示しています。

詳しくは： Achintya Kundu et al、SO42-–Mg2+ イオンペア周辺の水溶媒和ダイナミクスの短距離協調減速、ACS Physical Chemistry Au (2022)。 DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034

Forschungsverbund Berlin eV (FVB) 提供