活细胞拍“电影”多难？电光穿越五百米，定格十万亿分之一秒
2021-08-06 21:55:16 作者：佚名
一尺之棰，日取其半，万世不竭。无穷小中，到底蕴藏着什么？
从先秦百家开始，人类对微观世界的探索就从未停止。如今，中国的科学家们，正在上海张江“打磨”世界上最先进的光源，希望能够看清微观世界里的勃勃生机——比如在刹那间给活细胞“拍电影”。
要拍电影，得有过硬的硬件：光线、镜头、感光器件，缺一不可。
在分子层面的微观世界“拍电影”，同样需要这三大要素的配合，不过其在工程学上的追求几乎要接近极致。以光为例，它不能是日常所见的散射光，必须是超高亮度、相干的光线，而且波长要短到纳米级别。1纳米，约等于一根头发丝的六万分之一。这束光结合了电子与光子，前面是电子，产生光子后，光子传输，总长500多米。
6月21日凌晨，里程碑时刻终于到来：上海软X射线自由电子激光装置在100飞秒（fs，1飞秒=1秒的千万亿分之一）时间内实现了2.4纳米单发激光脉冲的相干衍射成像，这也是中国的第一次。这一相干衍射图样体现了活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置整体性能的先进性，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。
6月22日，为了验证“分子电影”到底有多写实，上海的科学家们挑战图案的重建——刻在镀金SiN薄膜上的3微米有手性的螺旋图案。一束软X射线自由电子激光通过120米的管道，打在薄膜上。通过分析和重建衍射数据，他们得到了一个逆时针旋转的鹦鹉螺图像——几乎是原图的复刻。
漂亮的衍射图样的背后，是分毫不差的精益求精。刘志感慨道，我们这120米的传输系统，这些镜子这些光栅这些小孔必须是完美的光学传输系统，而且必须在一条线上。这个大科学装置不是某一个东西比别人强就行了，而是得从加速器到后面的仪器，我相信得有上百万个零件，都得发挥很高性能。哪怕一个零件出了问题，都可能得不到我们刚才所说的最后那个结果。
得分毫不差到什么程度？刘志给澎湃新闻记者举了个例子——自由电子激光最好的反射镜子得达到原子级别的平整，1米的镜面，高低误差不能超过6纳米，“把它放大1000倍，相当于一条长达1千米的柏油路，最高和最低处相差不得超过6微米，也就是头发丝直径的十分之一。”
这台装置要完美运行，还需要环境配合。上海科技大学教授、活细胞结构与功能成像等线站工程副经理江怀东对澎湃新闻记者表示，比如地面不能有大的振动，来往的重型车辆都得控制。江怀东笑着说，一般晚上是他们做实验的黄金时间，因为园区外来往车辆少，动静小，对实验装置的扰动也小。
回忆起夜以继日的调试过程，刘志表示能在这么短时间内把它调出来，是很难的一件事情，体现了中科院上海高研院、上海科技大学的团结协作。“即使是调到了我们实验站，也花了我们好多天的时间把它放进腔体里，调整这个最后的聚焦性，使得它能够达到我们所需要的光子密度，才能打出这张照片。”
为了造就这台微观世界的拍摄“神器”，科学家们凝聚了5年的心血。2016年11月，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活细胞结构与功能成像等线站工程。工程含用户波荡器束线、活细胞成像束线、生物成像实验站、活细胞荧光超分辨显微镜站、超快物理实验站、超快化学实验站、分子动态成像实验站及实验辅助设施，预计在2021年内完成验收。按照计划，该装置有望于2022年向世界开放。
目前，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置成为了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。
“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段。在此波段内，水不吸收X射线，对X射线相对透明。但是碳元素等构成生物细胞的重要元素，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。
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，具备横向和纵向相干性，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等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置由国家发展和改革委员会与上海市政府共同出资建设。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。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，在浦东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。
刘志表示，这个装置有着广泛的科学应用。以生命科学领域为例，软X射线自由电子激光装置（XFEL）的相干衍射成像可以探究细胞的超微结构，而超分辨荧光成像则可以进行功能成像。这两者结合起来之后，细胞就会呈现出前所未有的细节：“可以把细胞看成一座城市，一个个的细胞器在其中就像是小区，蛋白质是如何穿梭的也能看清。”
中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心副主任、软X射线自由电子激光用户装置项目常务副经理刘波表示，X射线自由电子激光足够“快”，可用于活体生物细胞的显微成像等，具有重要的科学应用价值。他表示，原来我们没办法去探知活细胞的真正结构，“以前可以‘辐射’活细胞，但一下子就‘打’死了，看到的是死细胞状态，而‘水窗’波段的X射线自由电子激光，虽然也会把细胞‘打’死，但捕捉到的是细胞没死时的状态，因为它足够‘快’足够强。”
刘志表示，光的亮度在过去的50年里增长了10的22次方，这个数量级在中文的表述里都没有一个对应的汉字。光源质量的提高也带来了实验质量的提高，我们的终极目标是在一瞬间（fs，1飞秒=1秒的千万亿分之一）以原子尺度的精度测量一个体系。
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从先秦百家开始，人类对微观世界的探索就从未停止。如今，中国的科学家们，正在上海张江“打磨”世界上最先进的光源，希望能够看清微观世界里的勃勃生机——比如在刹那间给活细胞“拍电影”。
要拍电影，得有过硬的硬件：光线、镜头、感光器件，缺一不可。
在分子层面的微观世界“拍电影”，同样需要这三大要素的配合，不过其在工程学上的追求几乎要接近极致。以光为例，它不能是日常所见的散射光，必须是超高亮度、相干的光线，而且波长要短到纳米级别。1纳米，约等于一根头发丝的六万分之一。这束光结合了电子与光子，前面是电子，产生光子后，光子传输，总长500多米。
6月21日凌晨，里程碑时刻终于到来：上海软X射线自由电子激光装置在100飞秒（fs，1飞秒=1秒的千万亿分之一）时间内实现了2.4纳米单发激光脉冲的相干衍射成像，这也是中国的第一次。这一相干衍射图样体现了活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置整体性能的先进性，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。
6月22日，为了验证“分子电影”到底有多写实，上海的科学家们挑战图案的重建——刻在镀金SiN薄膜上的3微米有手性的螺旋图案。一束软X射线自由电子激光通过120米的管道，打在薄膜上。通过分析和重建衍射数据，他们得到了一个逆时针旋转的鹦鹉螺图像——几乎是原图的复刻。
标准样品圆孔、方孔及鹦鹉螺图案的相干衍射图样，上海科技大学供图。
“我希望大家能够体会到我们科研工作者能够打出这么漂亮的衍射图样，那种很开心很美好的感觉”，上海科技大学大科学中心主任、活细胞结构与功能成像等线站工程总经理刘志在发布会现场用激光笔指着PPT上的图案激动地说，“我真的希望大家也能够在这一块儿体会到我们的快乐。”
漂亮的衍射图样的背后，是分毫不差的精益求精。刘志感慨道，我们这120米的传输系统，这些镜子这些光栅这些小孔必须是完美的光学传输系统，而且必须在一条线上。这个大科学装置不是某一个东西比别人强就行了，而是得从加速器到后面的仪器，我相信得有上百万个零件，都得发挥很高性能。哪怕一个零件出了问题，都可能得不到我们刚才所说的最后那个结果。
得分毫不差到什么程度？刘志给澎湃新闻记者举了个例子——自由电子激光最好的反射镜子得达到原子级别的平整，1米的镜面，高低误差不能超过6纳米，“把它放大1000倍，相当于一条长达1千米的柏油路，最高和最低处相差不得超过6微米，也就是头发丝直径的十分之一。”
这台装置要完美运行，还需要环境配合。上海科技大学教授、活细胞结构与功能成像等线站工程副经理江怀东对澎湃新闻记者表示，比如地面不能有大的振动，来往的重型车辆都得控制。江怀东笑着说，一般晚上是他们做实验的黄金时间，因为园区外来往车辆少，动静小，对实验装置的扰动也小。
回忆起夜以继日的调试过程，刘志表示能在这么短时间内把它调出来，是很难的一件事情，体现了中科院上海高研院、上海科技大学的团结协作。“即使是调到了我们实验站，也花了我们好多天的时间把它放进腔体里，调整这个最后的聚焦性，使得它能够达到我们所需要的光子密度，才能打出这张照片。”
为了造就这台微观世界的拍摄“神器”，科学家们凝聚了5年的心血。2016年11月，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活细胞结构与功能成像等线站工程。工程含用户波荡器束线、活细胞成像束线、生物成像实验站、活细胞荧光超分辨显微镜站、超快物理实验站、超快化学实验站、分子动态成像实验站及实验辅助设施，预计在2021年内完成验收。按照计划，该装置有望于2022年向世界开放。
目前，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置成为了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。
“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段。在此波段内，水不吸收X射线，对X射线相对透明。但是碳元素等构成生物细胞的重要元素，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。
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，具备横向和纵向相干性，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等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置由国家发展和改革委员会与上海市政府共同出资建设。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。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，在浦东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。
刘志表示，这个装置有着广泛的科学应用。以生命科学领域为例，软X射线自由电子激光装置（XFEL）的相干衍射成像可以探究细胞的超微结构，而超分辨荧光成像则可以进行功能成像。这两者结合起来之后，细胞就会呈现出前所未有的细节：“可以把细胞看成一座城市，一个个的细胞器在其中就像是小区，蛋白质是如何穿梭的也能看清。”
中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心副主任、软X射线自由电子激光用户装置项目常务副经理刘波表示，X射线自由电子激光足够“快”，可用于活体生物细胞的显微成像等，具有重要的科学应用价值。他表示，原来我们没办法去探知活细胞的真正结构，“以前可以‘辐射’活细胞，但一下子就‘打’死了，看到的是死细胞状态，而‘水窗’波段的X射线自由电子激光，虽然也会把细胞‘打’死，但捕捉到的是细胞没死时的状态，因为它足够‘快’足够强。”
刘志表示，光的亮度在过去的50年里增长了10的22次方，这个数量级在中文的表述里都没有一个对应的汉字。光源质量的提高也带来了实验质量的提高，我们的终极目标是在一瞬间（fs，1飞秒=1秒的千万亿分之一）以原子尺度的精度测量一个体系。
上海软X射线自由电子激光装置。上海科技大学供图
用户波荡器束线。上海科技大学供图
<!--[if gte vml 1]>用户大厅。上海科技大学供图
生物成像实验站。上海科技大学供图
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