自由电子|超快也能看清！上海软X射线自由电子激光装置又有突破_x射线|科技|科普|科技新闻

科创上海
拍摄“分子电影”的关键一步，上海科学家已经完成了。今年以来，张江不断传来“国之重器”的好消息——继实现532米X射线自由电子激光装置的全线调试贯通、带光运行后， 6月21日凌晨，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置首次实现了2.4纳米单发激光脉冲的相干衍射成像，获得了首批实验数据，并完成了对衍射图样的快速图像重建。这标志着我国在软X射线自由电子激光研制和使用方面已步入国际先进行列。

活细胞结构与功能成像等线站工程获得了首批实验数据
“唯二”水窗波段实现成像
上海科技大学大科学中心主任、活细胞结构与功能成像等线站工程总经理刘志解释，活细胞结构与功能成像等线站工程由两条光束线、五个实验站及辅助设施构成，长约120米。它与软X射线自由电子激光用户装置一起形成了一把“光剑”——上海软X射线自由电子激光装置。 “光剑”侧卧于鹦鹉螺旁，同样是张江光子大科学装置的重要成员。
刘志说，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置已成为国际上仅有的两个已实现“水窗”波段相干衍射成像实验的自由电子激光装置之一。另一家是美国斯坦福线性加速器国家实验室。

活细胞结构与功能成像等线站工程
何为“水窗”？科学家解释，这是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段。在此波段内，水对X射线是透明的，但其他构成生命的重要元素，例如碳等仍会与X射线相互作用。因而水窗波段的X射线可用于活体生物细胞显微成像等，具有极其重要的科学应用价值。在水窗波段，自由电子激光的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，且同时具备横向和纵向相干性，能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具。

标准样品圆孔、方孔及鹦鹉螺图案的相干衍射图样
看清活细胞的秘密
自由电子激光，能大大提升科学家们的研究手段和能力——在纳米级微观世界里，不仅可以“拍照片” ，更能“拍电影” 。比如，在生命科学领域，科学家运用X射线自由电子激光，能实现活细胞结构与功能成像；在材料科学中，非晶材料的本质和相变机理同样需要这一“武器”……“如果将细胞看成一座城市，就可以看清蛋白质是如何穿梭的。 ”刘志打比方说。
自由电子激光和第三代同步辐射光源有何区别，又有什么联系？上海科技大学教授、活细胞结构与功能成像等线站工程副经理江怀东解释，在国际上科学家用同步辐射光源时，通常用的是死细胞。 “自由电子激光则能避免辐射损伤，在样品的损伤前成像，以获得样品的真实结构信息。 ”

在刘志看来， “鹦鹉螺”和“光剑”相辅相成，不可或缺。 “科研水平强的国家，在同步辐射光源附近都会建设X射线自由电子激光装置。 “他说， “同步辐射光源是‘细水长流’——通过长时间获取高能量和空间精度；此外，它的光不具有相干性，这就限制了它成像的手段。 ”两者的结合，能应对“单打独斗”无法解决的局面。

用户大厅
完美的光学传输
作为我国首台X射线自由电子激光装置，上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构与功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置共同构成，两个项目同步建设，有机衔接。该装置将与已建成的上海同步辐射光源、超强超短激光装置和在建的硬X射线自由电子激光装置等一起，在浦东张江构建具有全球影响力的光子科学设施集群和光子科学研究中心。
据介绍，活细胞结构与功能成像等线站工程由上海科技大学、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院上海高等研究院团队共同建设，项目于2016年11月开工建设，含用户波荡器束线、活细胞成像束线、生物成像实验站、活细胞荧光超分辨显微镜站、超快物理实验站、超快化学实验站、分子动态成像实验站及实验辅助设施，预计在今年内完成验收。这个装置拟于明年面向世界开放运行。

用户波荡器束线
“从光源通光到样品点的这120米必须是完美的光学传输系统，成千上万个零件容不得半点瑕疵。 ”江怀东告诉采访人员， “后续，我们会继续优化参数，使线站分辨率更高，能告诉科学家更多信息。 ”
刘志对活细胞结构与功能成像等线站验收后的应用前景非常看好。他说，越来越多的科学家意识到超快成像的重要性。例如在绿色化学中，只产生你想要的化合物而不要废料，就需要催化剂的选择性，需要观测到寿命只有皮秒左右的中间体，而自由电子激光就能帮上大忙。

END

鹦鹉螺工作室
作者 | 郜阳
图片 | 孙中钦　采访对象供图
【自由电子|超快也能看清！上海软X射线自由电子激光装置又有突破】编辑 | Amy

自由电子|超快也能看清！上海软X射线自由电子激光装置又有突破

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