上海软x射线自由电子激光装置活细胞结构和功能成像线站首次实现

来源：上观新闻

6月21日凌晨，上海软x射线自由电子激光装置“活细胞结构和功能成像线站”，在中国首次获得飞秒规模的x光照片。

这个网站只用了100秒(1飞秒等于1秒1000万亿分之一），首次实现2.4纳米单发激光脉冲的相关衍射成像，完成衍射图像的快速图像重建，成为国际上只有两个已经实现了“水窗”自由电子激光装置之一的波段相干衍射成像实验。这标志着我国在软x射线自由电子激光的开发和使用方面已进入国际先进行列。

【可用于活体生物细胞的显微成像】

如何捕捉飞秒尺度的x光照片？

解放日报·记者在活细胞结构和功能成像线站用户大厅看到，一个120米长的光束线站连接到生物成像实验站，一个1米高“大桶”放置生物样品的腔体上方有实时监控显微镜。

120米长的光束线站 黄海华摄

1米高的“大桶”放置生物样品的腔体 黄海华摄

“x射线自由电子激光从前端传输，聚焦后投射到生物样品上。虽然x光本身是看不见的，但我们的探测器会记录它的衍射信号，然后放在计算机显示器上。”江怀东教授说，上海科技大学。

活细胞结构和功能成像线在中国首次实现“水窗”波段相干衍射成像实验。所谓“水窗”，指波长在2.3纳米至4.4纳米范围内的软x射线波段。在这个波段中，虽然水对x射线是透明的，但其他构成生命的重要元素（如碳）仍然与x射线相互作用“水窗”具有重要的科学意义和应用价值波段x射线，具有重要的科学意义和应用价值。

“如果把细胞比作一个城市，你可以看到蛋白质是如何穿梭于城市的，这为寻找药物靶点提供了锋利的武器。”刘志教授说，上海科技大学。

【第一步是拍摄分子电影】

“图像太美了，相当于分子电影的拍摄迈出了第一步，x光快速摄影实现了100秒。‘相机’或‘快门’任何纳米级或微米级的缺陷都不是完整的光斑。”刘志指着重建后的衍射图像，语气中难以掩饰兴奋。

标准样品圆孔、方孔样品圆孔、方孔和鹦鹉螺图案 提供受访者

这种快速摄影离不开先进的光源。上海软x射线自由电子激光装置的电光转换射线自由电子激光装置的电光转换率最高。就在上个月，上海软x射线自由电子激光装置的建设取得了突破，实现了2.0纳米波长自由电子激光的放大和发光“水窗”全覆盖波段。在“水窗”自由电子激光脉冲的峰值亮度是同步辐射的10亿倍以上。

“最先进的光源带来了前所未有的能力。活细胞结构和功能成像线站目前的实验能力是一个单脉冲可以完成的实验。自由电子激光领域未来的最终目标是立即测量原子尺度的精度。”刘志说。

【明年向全世界开放】

未来，除了拍摄生物活体细胞外，“分子电影”，活细胞结构和功能成像线站还能做什么？

刘志介绍，该项目将广泛应用于非晶材料的本质和相变机制、超快化学反应动态过程、超导体等电子结构动态过程。它不仅可以为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具，还可以海硬x射线自由电子激光装置技术的研发提供支持。

2016年11月，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所联合建设的活细胞结构与功能成像线站项目，预计验收将于2021年完成。

上海软x射线自由电子激光装置作为中国第一台x射线自由电子激光装置，由活细胞结构和功能成像等线站工程和软x射线自由电子激光用户装置组成。两个项目同时建立有机连接。

中国首台x射线自由电子激光装置示意图 提供受访者

上海软x射线自由电子激光装置计划明年向全世界开放。该装置将在张江建设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，与已建成的上海同步辐射光源、超力的光子科学设施集群和光子科学研究中心。

主编：黄海华

作者：黄海华

编辑：黄海华

图片来源：胡蔚成摄影。上海软X射线自由电子激光装置