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  • 与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    利用实验和计算数据的结合,科学家发现了优化来自高强度X射线束脉冲的途径。长期以来,科学家们一直在追求以原子分辨率看到单个自由形式分子结构的能力,这被许多人称为成像的“圣杯”。一种可能的方法是将极短、高强度X射线自由电子激光(XFEL)脉冲对准样品材料。但是这种超快成像技术也会摧毁目标,所以时间是至关重要的。

    与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(DOE)的研究人员,正在通过实验和计算机模拟相结合的方式推进这项研究工作,希望了解X射线自由电子激光脉冲如何与目标相互作用。现在由Argonne原子分子光学物理小组在化学科学和工程部领导的一个小组精确地指出了一个重要、经常被忽视的参数,它可能会影响实验结果:即时间。其研究瞬态共振在单个蔗糖纳米簇超快成像中的作用,发表在《自然通讯》期刊上。

    与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    例如,在原子尺度上检查三维结构的能力,有助于我们更好地了解病毒,并更有效地将药物输送到人体。今天,这种分析需要把要研究的材料放在晶体形式上。生物粒子被固定在这种非天然的形式中,因此当X射线击中它们时,光束就会散射,产生一种可以用来理解分子结构的衍射图案。但是许多类型的生物系统不能很好地结晶,而且晶体可能太小而不能产生良好的衍射图案。或者,结晶可能会改变结构,阻止观察处于自然状态粒子的能力。

    与飞秒级的时间赛跑

    要在不使物质结晶的情况下创建散射图案,需要一束像X射线自由电子激光一样的超强光束,在令人难以置信的快速爆发中闪现。合著者、阿贡物理学家Phay Ho说:对于这种类型的实验,需要非常强烈的脉冲,这会很快摧毁样本,所以使用这种方法时,需要使用非常短的脉冲,以便在样品被销毁之前收集所有散射信号。这场与时间的赛跑是以飞秒为单位(一飞秒等于十亿分之一秒)。为了研究不同的参数如何影响X射线自由电子激光实验的结果:

    与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    跨学科的研究小组,使用斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)研究了蔗糖单个纳米簇。阿贡杰出研究员、论文合著者琳达·杨说:在基于储存环的光源上观察到晶体,如阿贡的先进光子源(APS),而不是XFEL(X射线自由电子激光),通常大小在10微米左右,在这项研究中看到的结构至少要小200倍(纳米级)。研究人员随后将实验数据与在阿贡领导力计算设施(ALCF)的超级计算机Mira上运行的计算进行了比较。

    与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    这涉及到一大批分子模拟,跟踪了4200万个粒子与X射线自由电子激光脉冲的相互作用。合著者之一、ALCF和Argonne计算科学部门的计算科学家克里斯托弗·奈特(Christopher Knight)说:当你有一台像Mira这样的机器时,就可以运行大量的模拟,可以同时进行所有的模拟,可以在进行这项特殊研究所需的时间尺度上运行它们。研究发现,当涉及到蔗糖上的X射线自由电子激光脉冲时,越短越好。

    与十亿分之一秒的时间赛跑,终于实现看到单个分子结构的技术!

    希望放大成像结果的科学家可能会使用200飞秒的脉冲长度,但事实证明还是太长了。如果使用这么长的脉冲,实际上大大降低了信号,为了进行这种类型的成像,脉冲应该只持续几飞秒。重要的是不仅要看光子数量,还要看每单位时间的光子数量。计算机建模将帮助研究人员优化未来的实验,重点放在将产生最佳结果的参数上。要拿到光束时间来做这些实验并不容易,这些数据将对找出下一步要尝试的最佳脉冲条件非常有用。

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    博科园|研究/来自:阿贡国家实验室

    参考期刊《自然通讯》

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