科研设施与仪器国家网络管理平台

/ 注册

大江东︱最快最亮!上海这束“国际光”能拍活细胞“遗像”

  • 2021-8-5 9:49:15
  • 来源:人民日報
  • 打印

5月14日下午,一個激動人心的消息,從中國科學院上海高等研究院傳出:我國首台X射線自由電子激光用戶裝置——上海軟X射線自由電子激光裝置(簡稱SXFEL)調試工作取得重大突破,在2.0納米波長上實現了自由電子激光放大出光,從而實現了“水窗”波段全覆蓋。這一進展表明我國在軟X射線自由電子激光研制方面已步入國際先進行列。

111.jpg

上海軟X射線自由電子激光裝置外觀

總投資10億的基礎科學前沿研究之利器,也是張江光子研究“四柱”之一

作為上海浦東張江光子科學設施家族中的一名重要成員,SXFEL項目分兩個階段建設,總投資約10億元,與上海同步輻射光源、硬X射線自由電子激光裝置和超強超短激光裝置等一起,構建出具有全球影響力的光子科學研究中心。

“這四個裝置好比撐起光子科學研究中心這張大桌子的四條腿,缺一不可,將為我國物理、化學、生命科學、材料科學等多個領域提供前沿研究的利器。”上海光源科學中心副主任劉波告訴大江東。

目前,全球建成的X射線自由電子激光裝置僅有8台,其它7台分別位於德國(兩台)、美國、日本、韓國、意大利和瑞士。其中軟X射線自由電子激光裝置世界上僅有三台。

“一台在德國,一台在意大利,而第三台就在我們上海浦東張江。”劉波所在的中科院高等研究院SXFEL團隊,在今年3月底基本完成軟X射線自由電子激光裝置直線加速器的調試,隨后開始了緊張的調光。5.6納米、3.5納米、2.4納米……目標在一步步逼近SXFEL設計的最短目標波長——2.0納米。終於,在2021年5月14日凌晨1時,這個100多人的團隊,看到了那束最快最亮的光——2.0納米自由電子激光!整個團隊沸騰了!當天下午的新聞發布會上,雖然帶著連月奮戰積攢下的疲憊,劉波依然難掩那份興奮喜悅之情。

444.jpg

  上海軟X射線自由電子激光裝置內部的直線加速器隧道

它能拍攝“分子電影”,科學家興奮:“終於能為活細胞拍遺像了!”

同樣興奮的,還有上海科技大學的江懷東。這位從事物理學研究的教授說自己是這束光的最先受益者,因為他們的科研工作急需SXFEL這把利器。“和您這麼說吧,利用SXFEL發出的2.0納米激光,我們終於能夠給活細胞拍遺像了!”

此話怎講?江懷東說,SXFEL放出的光最大的特點是又快又亮,在細胞還沒有死去前准確、清晰地捕捉最后的畫面,這是其他光源做不到的。“所以,SXFEL能夠探測超小結構,幫助科研人員獲取物質的原子分子結構動態圖,從拍分子照片到實現拍分子電影。”

而所謂“水窗”波段,是指波長處於2.3納米到4.4納米之間的軟X射線,在此波長范圍內,水對X光是透明的,但其他構成生命的重要元素碳、氧等,仍會與X射線相互作用,因而水窗波段的X射線可用於對活體生物細胞進行顯微成像,具有極其重要的科學應用前景。在水窗波段,自由電子激光可提供比同步輻射高9個量級以上的峰值亮度,且同時具有橫向和縱向相干性,能夠為物理、生物、化學等學科提供革命性的研究工具。

555.jpg

  波蕩器大廳

“鸚鵡螺”多了個更快更亮的小兄弟,國之重器集結,上海張江再站前沿

到過浦東新區張衡路、看過上海光源的人們,形象地將這座設計感十足的銀色建筑,昵稱“鸚鵡螺”。從我國首台國產單色器的誕生到今天放出“最快最亮”光的軟X射線自由電子激光裝置,數年間,“鸚鵡螺”及其周邊區域已成為國家重大科技基礎設施布局的高地。

在劉波的帶領下,穿過一條雜草帶,東妹來到位於上海光源主體背后一座像倉庫一樣的小白樓,走進一條“時光”隧道。

玄機就暗藏在這條500多米長的“放光”裝置裡,經過近7年的努力,軟X射線自由電子激光用戶裝置終於綻放出最耀眼、最快的光芒。

劉波介紹,軟X射線自由電子激光用戶裝置的前身是X射線自由電子激光試驗裝置,由一台8億4千萬電子伏特的高性能電子直線加速器和一台可以實現多種先進運行模式的自由電子激光放大器組成。“2014年我們破土動工,2016年4月基本建設完成,后面持續的三年時間主要用於克服各類問題、提升裝置穩定性、優化調試方法等,到2020年年初第一次達到了設計指標。”

以X射線自由電子激光試驗裝置為基礎,中國首台X射線波段自由電子激光用戶裝置升級完成后,將為開展能源、材料、生物等領域科學前沿問題的探索提供強有力的工具﹔同時,也為中國繼續開展自由電子激光新原理的探索和驗証、關鍵技術的研究提供了不可替代的實驗平台。

“預計今年下半年,用戶實驗站可以開始做首批實驗了。”劉波表示,目前主要的用戶是國內各大高校和研究院所,未來還將向其他國家的科研機構開放。

 軟X射線自由電子激光試驗裝置是上海在國家部委支持下建成和在建的14個國家重大科技基礎設施之一,也是位於張江科學城核心地帶的8個光子科學設施之一。這些光子設施,包括已建成的上海同步輻射光源、蛋白質科學研究(上海)設施、軟X射線自由電子激光試驗裝置和超強超短激光實驗裝置,將於今明兩年建成的軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細胞結構與功能成像等線站工程、上海光源線站工程暨光源二期3個設施,以及預計2025年建成的硬 X 射線自由電子激光裝置等。這些項目建成后,張江科學城將形成全球規模最大、種類最全、綜合能力最強的光子大科學設施集群。

誠如劉波所言,上海張江,不僅為中國的基礎科研助跑起跳積蓄能量、支撐保障,更敞開懷抱,向全世界的科學家提供科研平台。

新聞多一點:X 射線自由電子激光器究竟是啥利器?

光,是人類看世界的重要媒介。最初,人們透過陽光看到五彩繽紛世界,望遠鏡和顯微鏡的發明,將人類看到的世界拓展到了廣袤的宇宙和微小的細胞世界。X射線、激光的發明,使得人類的雙眼穿透物質的內在,不斷滲透到更小的物質結構單元,到達原子尺度的微觀結構。

X 射線自由電子激光器,簡稱XFEL,就是利用自由電子作為介質來產生X射線的激光器。它天然地同時具有X射線和激光的優點,與典型的第三代同步輻射光源相比,XFEL的峰值亮度高9 個數量級,脈沖寬度短3 個數量級,相干性提高3 個數量級以上。這些特點突破了現有常規激光和同步輻射光源的許多禁區,使得XFEL自誕生之日起就備受科學研究者青睞。

20 世紀70 年代,斯坦福大學研究人員提出了自由電子激光(FEL)的概念並發明了遠紅外自由電子激光器。自那以后,許多國家都開展了關於自由電子激光的理論與實驗研究,自由電子激光器向著更高能量、更短波長的方向穩步發展。

21 世紀初,世界上第一台X 射線自由電子激光器(簡稱XFEL),在德國誕生。在過去的十多年中,X 射線自由電子激光引起了科學界的廣泛關注,各個國家的大力投入和支持使其在很短的時間內取得了迅速的發展,在物理、化學、生命科學、材料科學等領域都發揮了重要的作用。

據了解,在物理中的應用,超短超強的XFEL脈沖能夠產生一些極端條件下的奇異物態。在化學中的應用,XFEL產生的飛秒X射線脈沖將納米尺度空間分辨率和飛秒尺度時間分辨率完美地結合在了一起,從而為我們提供了前所未有的技術手段去從本質上研究化學反應過程。在生物中的應用,可以測量單粒子和非晶生物樣品結構信息。材料科學中的應用,用於材料結構動力學和相變過程的研究。