1秒能拍3000张高质量X光片的激光器上线，可助分子电影的拍摄

原文以Europe’s X-ray laser fires up为标题

发布在2017年8月29日的《自然》新闻上

原文作者：Philip Ball

高速摄像机将帮助科学家制作分子电影。

科学家们现在有了新的高速摄像机，可以用来拍摄制作运动中的分子影像。它就是耗资12亿欧元（约合14亿美元）的欧洲X射线自由电子激光器（XFEL），将于9月在德国汉堡附近开始进行首批实验。

研究人员很快将能够使用德国汉堡附近的欧洲X射线自由电子激光器观察运动中的分子。

Heiner Müller-Elsner/European XFEL

欧洲XFEL可以在几百飞秒内发射强X射线：时间如此之短，就如同频闪闪光灯一样，它们可以捕获在时间上冻结的运动分子的快照，并且波长足够小，足以提供原子分辨率的图像。欧洲XFEL是世界上少数这样的X射线激光器之一，拥有独特的速射性能：每秒可以发出27,000个脉冲，发射速率比第二快的装置高出200多倍，后者即位于加州SLAC国家加速器实验室、耗资达4亿2千万美元的直线加速器相干光源（LCLS）。汉堡自由电子激光科学中心的生物化学家Arwen Pearson说：“它和世界上其他任何东西都如此的不同，真心让人感觉踏上了未知的领地。”

Adrian Mancuso是位于汉堡附近舍内菲尔德的欧洲XFEL实验站的项目科学家，他说科学家们应该能够在1秒钟之内收集3000多张高质量的X射线照片，而其他设施则只能收集100张左右。美国威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家Abbas Ourmazd表示：“拥有丰富的数据很重要，欧洲XFEL产生的数据车载斗量。这个由12个国家出资建造的欧洲装置应该会减轻美国和日本较老的X射线自由电子激光器的一些压力（参见“X射线激光枪”）。大批科学家热衷于捕获样品的原子尺度图像，导致它们严重超额预定。6月，位于韩国浦项的一台X射线自由电子激光器对用户开放，瑞士菲利根的一台机器也将于2018年开始实验。

Source: European XFEL

在位于汉堡的XFEL，电子束首先沿一条长达1.7公里的隧道加速，然后磁体将电子路径弯曲成摆动的回旋轨道，使其在弯曲时发出高能X射线束。明亮的X射线脉冲是如此强烈，以至于会破坏它们所击中的样品 —  但是在足够的光子被散射而揭示出样品的原子结构之前还没有被破坏。

X光影像

在使用常规X射线源进行结构测定的实验中，分子必须被组装成晶体以散射足够的光子来推断其结构。但是，XFEL中的X射线是如此的明亮，研究人员可以从大约几纳米的晶体，甚至从分子的非晶体团簇中收集到衍射图样。这意味着XFEL可以研究难以结晶的蛋白质。研究人员在不同的时间点对同一系统拍摄成千上万的不同快照，再把它们综合起来创建出酶、病毒或催化剂的动态影像——通常通过将分子溶液喷射穿过X射线束来实现。

2015年，使用LCLS的科学家们报告了8张分辨率为0.18纳米的肌红蛋白快照，它们是在一束光将一个一氧化碳分子从蛋白质上它的原结合位置移除后几皮秒内拍摄的。8月14日，Ourmazd及其同事报告称，他们在LCLS利用单一病毒的X射线散射创建出分辨率达9-nm的3D影像。它动态展示了病毒重组基因组，使得遗传物质可以挤压通过管状分子结构的情形——病毒感染细胞时所发生的过程。

亚利桑那州立大学的物理学家John Spence解释说，这样的工作依赖于收集同一粒子在不同构象状态下的大量快照，进而构建出粒子运动范围的合成图像。他表示，欧洲XFEL的高脉率将使这一过程更加迅捷 — 因而可以积累更小的单个粒子的结构数据。Mancuso认为欧洲XFEL最重要的里程碑之一将是证明衍射图样确实能够以非常高的速率从单个粒子中收集。因为强烈的X射线爆发会破坏每个以喷雾或射流方式通过的粒子，所以要确保被损坏的样本不会妨碍下一次影像的捕获是一项挑战。“我们只有试了才知道，”他说。

汉堡的这座装置也比其竞争对手拥有更大的容量：与其他X射线自由电子激光器不同的是，它有三个独立的波动器，能够同时产生X射线束，每秒27,000个脉冲分布其中。但是，欧洲XFEL只能在一段时间内占统治地位：SLAC今年开始建设一个10亿美元项目，以创造更加明亮的激光束，到二十一世纪二十年代初，每秒将能发射100万个脉冲。ⓝ

Nature|doi:10.1038/548507a

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