「大國重器-中科院重大科技基礎設施」穩態強磁場實驗裝置

綜述及基本情況

裝置概況

強磁場實驗裝置(HMFF)項目是由中國科學院和教育部聯合申報並獲批准的「十一五」國家重大科技基礎設施建設項目。根據《國家發展改革委關於強磁場實驗裝置國家重大科技基礎設施項目建議書的批覆意見》(發改高技〔2007〕188 號文件),強磁場實驗裝置採取「一個項目,兩個法人,兩地建設,共同管理」的建設模式。

穩態強磁場實驗裝置(Steady High Magnetic Field Facility,SHMFF)的法人單位是中國科學院合肥物質科學研究院,共建單位是中國科學技術大學。工程經理部負責SHMFF建設的組織實施,各項任務以中國科學院強磁場科學中心為依託完成。

SHMFF 於 2008 年 5 月19日獲批開工,2010 年 10 月 28 日轉入「邊建設,邊運行」模式,2017 年 9 月 27 日通過國家驗收。

SHMFF 建設過程取得了一系列成就,磁體技術和綜合性能處於國際領先地位。創世界紀錄的系列水冷磁體、國際一流水平的混合磁體及其磁體支撐裝備系統;國際唯一的高場掃描隧道顯微系統、國際獨創的組合成像顯微系統;國際領先的強磁場、超高壓、低溫綜合極端實驗條件。在國際上實現了強磁場實驗條件從跟跑到領跑的跨越,使我國穩態強磁場科學研究條件躍升至世界一流水平,SHMFF 已成為國際五大穩態強磁場實驗裝置之一。

截至 2018 年底,SHMFF 運行累計機時數為 360 475 個,開展實驗課題數 2 094 個,用戶論文總數 1 261 篇(其中 SCI 論文1 134 篇)。裝置運行狀態良好,為國內外用戶開展強磁場下研究提供了支持,有效推動了我國穩態強磁場下前沿科學研究。

目前SHMFF不僅成為中國科學院合肥大科學中心核心基礎,更是合肥綜合性國家科學中心建設的關鍵基石,已成為國家科技創新體系的重要組成部分。

總體目標與研究方向

致力於提升裝置性能,發展新的強磁場下的實驗測試系統,積極培育國內外高水平用戶。

圍繞強磁場下新型量子功能材料的合成與調控生長、高溫超導磁體及實用化超導材料的高場性能研究、高溫超導機理、關聯電子材料/拓撲超導體/低維體系的量子效應及輸運研究、生物大分子在疾病中的分子機制研究、穩態磁場的生物學效應研究、腫瘤發病機理和小分子藥物作用機制研究等方面開展前沿基礎性研究。

作為合肥綜合性國家科學中心和中國科學院合肥大科學中心的重要組成部分,在保證SHMFF 裝置穩定運行、優質開放的基礎上,力爭不斷產出原創性科技成果,在輻射帶動發展、集聚高水平人才等方面取得成績。

研究進展與成果

裝置建成

SHMFF 是一系列針對物理學、材料科學、化學和生命科學等研究及多學科交叉研究所需的設施。2008 年 5 月,SHMFF 開工;2010 年 10 月進入「邊建設、邊運行」階段,已建成的部分磁體和實驗系統陸續投入運行;2017 年 9 月 27 日,完成建設並通過國家驗收,驗收專家組給予高度評價,認為項目全面完成了建設目標,各項關鍵參數達到或超過設計指標,技術和性能達到國際領先水平:建成的水冷磁體中有 3 臺磁體的性能指標創世界紀錄,其中 2 臺保持至今;突破了 800 mm 室溫孔徑、磁場強度達 10 T 的鈮三錫超導磁體研製的技術難關,實現了大型強磁場鈮三錫超導磁體技術的重大突破;建成了 40 T 穩態混合磁體裝置,磁場強度排世界第二;已建立 20 種實驗測試系統,其中包括國際首創水冷磁體掃描隧道顯微測試系統、掃描隧道-磁力-原子力組合顯微鏡系統,以及強磁場下低溫、超高壓實驗系統等。至 2018 年底,該裝置已為清華大學、北京大學、中國科學技術大學等 136 家用戶單位提供了實驗條件,在Science、Nature、Cell 等高水平期刊發表 I 區論文 316 篇,成果產出已超越相近規模的法國和荷蘭強磁場裝置。

建成亞太地區首個 9.4 T 大口徑動物磁共振成像研究平臺

中國科學院強磁場科學中心引進的大型超導磁共振成像系統,是亞太地區第一臺磁場強度達 9.4 T、口徑 400 mm 的大型哺乳動物高場磁共振成像系統,各項技術指標都達國際先進水平。以該系統為核心建立的磁共振成像實驗室及配套的實驗動物室,是國內首個一體化的磁共振成像-動物實驗研究平臺,同時也是國內首個達到萬級清潔標準的磁共振成像實驗室。在該平臺上將開展大型哺乳動物的高解析度組織結構磁共振成像、磁共振分子影像、高場下的磁共振成像技術以及圍繞動物模型的病理學及臨床藥理學等綜合性研究。磁共振成像研究與強磁場中心其他生命科學研究方向,如蛋白質結構生物學、藥學等研究組成了一系列交叉承接的關係,對臨床醫學和生命科學研究具有重要意義。未來,實驗室將與來自於生物成像、認知神經科學、臨床醫學等重要科學領域的專家、學者開展廣泛的學術交流和學術合作。

首次提出鈣離子調控蛋白與膜相互作用新機理

T 細胞介導的細胞免疫是人體免疫系統的重要組成部分,它可以通過其表面的一些受體識別外界抗原物質,將刺激信號傳導至細胞內並指揮其他免疫細胞進行免疫應答。T 細胞信號通路的研究可以幫助人們了解機體免疫系統的生理功能,同時對相關疾病的研究具有重要現實意義。

近年來,T 細胞信號通路細胞內部已經研究的較為透徹,但是外界抗原刺激信號如何跨膜傳導至細胞內仍然是沒有完全解決的難題。利用穩態強磁場實驗裝置,結合核磁共振與納米碟(nanodiscs)技術,我國科學家建立了一種研究蛋白與膜相互作用的新方法,發現鈣離子可以減弱 T 細胞受體中亞基蛋白 CD3 分子與細胞內膜酸性磷脂分子間的電荷相互作用,使酪氨酸信號模體(ITAMs)的磷酸化位點暴露於細胞質環境中,促進其磷酸化,引起胞內進一步的免疫應答反應。鈣離子在T細胞受體磷酸化過程中的這種正反饋調控作用可以放大初始的 T 細胞受體活化信號,使胞外的刺激信號跨膜傳導至胞內,提高 T 細胞對外界抗原刺激的敏感性。

該成果首次提出了鈣離子可以通過調控生物膜與膜蛋白質之間的相互作用發揮生理功能,不僅填補了 T 細胞信號跨膜傳導研究的空缺,完善了 T 細胞受體的磷酸化模型,更重要的是豐富了生物體內鈣離子的生理功能。這種調控途徑不僅存在於 T 細胞受體和免疫受體信號通路中,在其他眾多生物過程的信號通路中也可能發揮重要功能。成果論文發表於 2012 年 12 月 2 日的 Nature 雜誌。

破解分枝桿菌能量代謝奧秘,助力抗結核新藥研發

作為全球頭號傳染性疾病,結核病的致病菌——結核分枝桿菌近年來表現出日漸嚴重的耐藥性,已成為威脅人類健康的重大挑戰。研究人員通常應用不具致病力的恥垢分枝桿菌來模擬其高度同源結核分枝桿菌,理解致病菌呼吸作用等能量代謝路徑,促進耐藥結核疾病的治療。分枝桿菌呼吸作用主要由 5 個大型跨膜複合物(複合物 I、II、III、IV、V)以及電子傳遞載體(醌和細胞色素 c)共同參與完成,被稱為呼吸鏈(也稱電子傳遞鏈)。研究表明,呼吸鏈組分可以進一步聚合組裝形成超級複合物,促進其相互之間串聯反應的發生和電子的傳遞,在能量代謝效率和多種生理過程的調控方面具有重要意義。

我國科學家利用穩態強磁場實驗裝置低溫電子自旋共振(ESR)設備,解析了恥垢分枝桿菌呼吸鏈超級複合物 III2IV2SOD2 的高解析度(3.5 Å)冷凍電鏡結構,揭示了複合物 III 與複合物 IV 之間的相互作用形式,首次以結構生物學的視角證實了超氧化物歧化酶與呼吸鏈複合物間存在直接相互作用以及其清除潛在自由基、協同氧化還原反應的作用,並研究了當前正處於臨床II期的藥物分子 Telacebec(Q203)作用於結核桿菌有氧呼吸途徑的可能機制。該研究成果將對研發更高效的耐藥結核藥物起到巨大的推動作用。成果論文發表於 2018 年 11月的 Science 雜誌。

揭示基於外爾軌道的三維量子霍爾效應

量子霍爾效應是 20 世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一,迄今為止已有 4 個諾貝爾獎(1985、1998、2010 和 2016 年)與其直接相關。100 多年來,人們研究量子霍爾效應有一個重要前提是必須基於二維體系,從未涉足三維領域。

拓撲半金屬具有一個重要特徵——費米弧表面態,是一段非閉合曲線。在磁場下,其兩個端點最終連接的是體態的外爾點,因此正常情況下不會形成迴旋軌道。我國科學家充分利用穩態強磁場實驗裝置的強磁場條件,創新實驗方案,通過測量砷化鎘楔形樣品對應的量子霍爾電阻,實驗發現迴旋軌道能量能直接受到樣品厚度的調控,這和常規基於二維表面態的量子霍爾效應完全不同。同時,通過改變磁場方向,發現軌道能量也受到磁場和晶向相對位置的影響,打破了二維體系應該具有的鏡面對稱性。基於這兩個重要證據,證明砷化鎘納米結構中的量子霍爾效應來源於三維的外爾軌道。成果論文在線發表於 Nature 雜誌。

生物安全性研究

隨著科技的發展,為提高組織解析度和成像功能,醫院內應用於核磁共振掃描儀(MRI)的穩態磁場強度已從最初的 0.5 T 普遍提升到了 1.5 T 或者 3 T。近幾年來,不僅 7 T MRI 被批准進入臨床,9.4 T MRI 也進行了多項臨床前測試,並且 21.1 T 的研究型小口徑 MRI 也開始進行鼠類腦部成像。然而,由於 10 T 以上強磁場設備的相對短缺,穩態強磁場生物安全性的研究目前十分缺乏,而 20 T 以上強磁場安全性的研究則接近空白。因此,探索穩態強磁場尤其是 20 T 以上強磁場的生物安全性對更高場 MRI 的開發和臨床應用具有重要的科學和現實意義。

我國科學家利用穩態強磁場實驗裝置,前期進行了小規模的實驗,檢測了3.7—24.5 T 強磁場對荷瘤小鼠的影響,處理時長 9 小時,可以對腫瘤生長產生一定的抑制作用。雖然小鼠的大多數生理生化指標無顯著異常,但是其肝臟受到了強磁場的影響。基於前期實驗,科學家降低磁場強度、縮短磁場處理時間,發現此次 3.5—23 T強磁場/2 小時處理時長並未對小鼠的主要臟器(心、肝、脾、肺、腎),血常規指標以及肝腎功能、脂質代謝和離子濃度等主要生理指標造成明顯危害。雖然 23 T 處理組小鼠的攝食和體重增長受到了一定影響,但 21.9 T 及以下的強磁場則無明顯影響。此項研究對界定強磁場生物安全界限,開拓強磁場在醫療和儀器設備等領域中的應用都具有積極的指導意義。相關成果在線發表於國際神經成像領域頂級期刊 Neuroimage。(中國科學院院刊供稿)