與十億分之一秒的時間賽跑,終於實現看到單個分子結構的技術!

2020-11-26 騰訊網

利用實驗和計算數據的結合，科學家發現了優化來自高強度X射線束脈衝的途徑。長期以來，科學家們一直在追求以原子解析度看到單個自由形式分子結構的能力，這被許多人稱為成像的「聖杯」。一種可能的方法是將極短、高強度X射線自由電子雷射(XFEL)脈衝對準樣品材料。但是這種超快成像技術也會摧毀目標，所以時間是至關重要的。

美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室(DOE)的研究人員，正在通過實驗和計算機模擬相結合的方式推進這項研究工作，希望了解X射線自由電子雷射脈衝如何與目標相互作用。現在由Argonne原子分子光學物理小組在化學科學和工程部領導的一個小組精確地指出了一個重要、經常被忽視的參數，它可能會影響實驗結果：即時間。其研究瞬態共振在單個蔗糖納米簇超快成像中的作用，發表在《自然通訊》期刊上。

例如，在原子尺度上檢查三維結構的能力，有助於我們更好地了解病毒，並更有效地將藥物輸送到人體。今天，這種分析需要把要研究的材料放在晶體形式上。生物粒子被固定在這種非天然的形式中，因此當X射線擊中它們時，光束就會散射，產生一種可以用來理解分子結構的衍射圖案。但是許多類型的生物系統不能很好地結晶，而且晶體可能太小而不能產生良好的衍射圖案。或者，結晶可能會改變結構，阻止觀察處於自然狀態粒子的能力。

與飛秒級的時間賽跑

要在不使物質結晶的情況下創建散射圖案，需要一束像X射線自由電子雷射一樣的超強光束，在令人難以置信的快速爆發中閃現。合著者、阿貢物理學家Phay Ho說：對於這種類型的實驗，需要非常強烈的脈衝，這會很快摧毀樣本，所以使用這種方法時，需要使用非常短的脈衝，以便在樣品被銷毀之前收集所有散射信號。這場與時間的賽跑是以飛秒為單位（一飛秒等於十億分之一秒）。為了研究不同的參數如何影響X射線自由電子雷射實驗的結果：

跨學科的研究小組，使用史丹福大學SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)研究了蔗糖單個納米簇。阿貢傑出研究員、論文合著者琳達·楊說：在基於儲存環的光源上觀察到晶體，如阿貢的先進光子源(APS)，而不是XFEL（X射線自由電子雷射），通常大小在10微米左右，在這項研究中看到的結構至少要小200倍（納米級）。研究人員隨後將實驗數據與在阿貢領導力計算設施(ALCF)的超級計算機Mira上運行的計算進行了比較。

這涉及到一大批分子模擬，跟蹤了4200萬個粒子與X射線自由電子雷射脈衝的相互作用。合著者之一、ALCF和Argonne計算科學部門的計算科學家克里斯多福·奈特(Christopher Knight)說：當你有一臺像Mira這樣的機器時，就可以運行大量的模擬，可以同時進行所有的模擬，可以在進行這項特殊研究所需的時間尺度上運行它們。研究發現，當涉及到蔗糖上的X射線自由電子雷射脈衝時，越短越好。

希望放大成像結果的科學家可能會使用200飛秒的脈衝長度，但事實證明還是太長了。如果使用這麼長的脈衝，實際上大大降低了信號，為了進行這種類型的成像，脈衝應該只持續幾飛秒。重要的是不僅要看光子數量，還要看每單位時間的光子數量。計算機建模將幫助研究人員優化未來的實驗，重點放在將產生最佳結果的參數上。要拿到光束時間來做這些實驗並不容易，這些數據將對找出下一步要嘗試的最佳脈衝條件非常有用。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室

參考期刊《自然通訊》

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