最先进光源实现100飞秒快速摄影

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2021-07-08

从左至右依次为标准样品圆孔、方孔及鹦鹉螺图案的相干衍射图样。 采访对象供图6月21日凌晨,上海软X射线自由电子激光装置的“活细胞结构与功能成像线站”,在中国首次获得飞秒尺度的X光照片。 该线站仅用了100飞秒(1飞秒等于1秒的1000万亿分之一),首次实现纳米单发激光脉冲的相干衍射成像,并完成了对衍射图样的快速图像重建,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。

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。 在“水窗”看清活体细胞飞秒尺度的X光照片是如何捕捉到的?记者在活细胞结构与功能成像线站用户大厅现场看到,一段120米长的光束线站连接着生物成像实验站,一个1米高的“大桶”正是放置生物样品的腔体,腔体上方有一个实时监控的显微镜。 “X射线自由电子激光从前端传输过来,聚焦后投射在生物样品上,尽管X光本身不可见,但我们的探测器会把它的衍射信号记录下来,再投放在电脑显示器上。

”上海科技大学江怀东教授说。

活细胞结构与功能成像线站在我国首次实现了“水窗”波段相干衍射成像实验。

所谓“水窗”,是指波长在纳米到纳米范围的软X射线波段。

在此波段内,尽管水对X射线是透明的,但其他构成生命的重要元素(比如碳),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的显微成像等,具有重要的科学意义和应用价值。

“如果把细胞比喻成一座城市,就可以看清楚蛋白质是怎么在城市里穿梭的,这对于寻找药物靶点等提供了利器。 ”上海科技大学刘志教授说。

迈出“分子电影”第一步“实在是太漂亮了,相当于分子电影的拍摄迈出了第一步,实现了100飞秒的X光快速摄影。 如果‘相机’或‘快门’上有任何纳米级或微米级的缺陷,就不是一个完整的光斑了。 ”刘志指着重建后的衍射图像,语气里难掩兴奋。

这样的快速摄影,离不开先进的光源。 在国际上已建和在建的软X射线自由电子激光装置中,上海软X射线自由电子激光装置的电光转换比最高。 就在上个月,上海软X射线自由电子激光装置建设取得突破性进展,实现纳米波长自由电子激光放大出光,并做到了“水窗”波段全覆盖。 在“水窗”波段,自由电子激光脉冲的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上。

“最先进的光源带来了前所未有的能力。

活细胞结构与功能成像线站目前的实验能力,是单脉冲可完成一个实验。

未来自由电子激光领域的终极目标,是一瞬间以原子尺度的精度测量一个体系。

”刘志说。

明年面向全世界开放运行未来,除了为生物活体细胞拍摄“分子电影”,活细胞结构与功能成像线站还可以做哪些事情?刘志介绍,该项目对于非晶材料的本质和相变机理、超快化学反应动态过程、超导体等的电子结构动态过程等,将有着广泛的科学应用,不仅能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具,同时可为在建的上海硬X射线自由电子激光装置技术研发提供支撑。

“活细胞结构与功能成像线站”工程于2016年11月开建,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,预计在今年内完成验收。 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。 上海软X射线自由电子激光装置拟于明年面向全世界开放运行。 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。 (记者黄海华)原标题:最先进光源实现100飞秒快速摄影为我国首次,上海软X射线自由电子激光装置拟于明年面向全世界开放运行。