新一代極紫外光源:微觀世界有了高速攝像機

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先進的實驗裝置彷彿是科學家的慧眼,微觀世界變得更細膩、形象、生動,它們為科學研究插上了騰飛的翅膀,帶著人們飛向更高、更遠的“天空”。

光學顯微鏡的出現,將人類帶入以往難以窺探的微觀世界。比如,1665年Robert Hooke用光學顯微鏡看到了肉眼看不到的細胞。之後,人們對細胞結構的認識才逐漸清晰。300多年後的今天,生物學家們仍然在藉助光學顯微鏡開展細胞研究。刊登在1月17日《Cell Reports》雜誌上的一篇文章報告了一項關於神經細胞的重要研究成果:美國賓夕法尼亞大學醫學院的James H. Eberwine等首次利用7位患者在手術時切除的腦組織,成功在實驗室培育出成人神經細胞,並從中識別出5種腦細胞類型及每種細胞合成的蛋白質。

研究人員在得到組織樣本後用分解蛋白質的木瓜蛋白酶進行分離,培育出活性神經細胞。在對

300多個活性細胞分析後,識別出少突膠質細胞、小膠質細胞、神經元、內皮細胞和星形膠質細胞這5種已知的腦細胞類型。他們用RNA測序技術,識別不同細胞類型對應的長鏈非編碼RNA,結果顯示,不同患者神經細胞內的基因表達完全不同,這意味著或可針對不同患者提供個性化醫療。

培育出神經細胞令研究人員很驚訝,Eberwine說,“之前的老年病研究主要依靠動物模型,但這次培育的神經細胞來源於20~70歲的不同年齡段,可用來檢測老年人神經細胞與年輕人的分子標記差異,提供一種全新的老年病研究體系。”(1月19日《科技日報》)

分子,體積比細胞又小數個量級。在分子尺度開展研究必須藉助解析度更高、更精密的顯微裝置,才能分析分子精細結構,進行更深入的研究工作。比如,給分子打個結。在分子尺度上打出一定形狀的紐結是非常困難的事情。幾十年來,科學家利用化學反應讓分子鏈打成基本紐結形態僅有

3

種——三葉結、8

字結與五葉結。1

月13

日發表於《Science

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》的論文報告了在分子尺度上紐結的第4

種形態——8

19紐結。

這項研究是英國曼徹斯特大學

Leigh

等用一個5

步化學反應,將3

個配體鏈“編織”出具有8

個交叉的紐結,Fe

2+控製3

個配體鏈的相對位置,紐結包含192

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個原子,寬度為20 nm

。如此小的尺寸普通的光學顯微鏡顯然已經難以勝任,必須藉助更精密的超級顯微鏡。作為第三代光源的上海光源,在此尺寸下可拍攝高清晰度圖片。

1

月15

日,比它更先進的一代光源——大連光源發出世界最強的極紫外自由電子鐳射脈衝,它的功能更強,可記錄微觀世界的動態過程,相當於微觀世界的高速攝像機。這個中國科學院大連化學物理研究所和上海應用物理研究所聯合研製的“極紫外自由電子鐳射裝置”中的

90%

的裝置是由中國自主研發的,其單個皮秒(即10

-12s

)鐳射脈衝產生140

萬億個光子,成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子鐳射光源。

大連光源主要由3部分構成,即加速器、波盪器和光束線站。先由驅動鐳射在光陰極上打出高密度的脈衝電子束,再用直線加速器將之加速到與光速接近。另一束種子鐳射照射在這個高能電子束上,之前的電子束按照鐳射的波長在空間重新分佈後,會繼續穿越一系列週期性變化的磁場。電子在經過週期性磁場之後,會更加強烈地輻射光線,一定的週期性磁場的強度會最終輸出極紫外鐳射。(1有17日《人民日報》)

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“大連光源”能夠窺見區域內幾乎所有的原子和分子,中國科學院院士、大連化學物理研究所副所長楊學明說:“光源亮,微觀世界可以看得更清楚;脈衝短,我們可以看到分子和原子在物理和化學變化中超快的過程。”它的應用使科學家在物質世界的探索中更加得心應手。

楊學明評價大連光源:“在化學、能源、物理、生物、環境等重要研究領域有著廣泛的應用,我國率先建成這一先進光源,對推動我國乃至世界在這些領域的研究發展有著極其重要的意義。”他認為,大連光源的成功研製為中國未來發展X波段的自由電子鐳射打下了堅實基礎。中國科學院院士、中國科學院副院長王恩哥評價說:“‘大連光源’建成出光,成為我國大科學工程的又一成功範例,將為我國的科技事業注入新的活力。”

科學探索永無止境,為使原有的實驗技術能力得到巨大提升,中國將在北京建設一臺高能同步輻射光源——北京光源,該項目已列入《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》,設計的亮度及相幹度均高於世界現有、在建或計劃中的光源。中國科學院高能物理研究所研究員董宇輝介紹,北京光源主要有兩方面的應用:一是和國家安全密切相關的重大需求,如航天材料;二是提供非常高的解析度,讓科學家有瞭解複雜體系、極精細結構的能力,能推動基礎科學的進步。該項目計劃2018年底動工,工期6年,預計耗資48億元。(1月24日光明網)

這些更先進的實驗裝置彷彿是科學家的慧眼,微觀世界變得更細膩、形象、生動,它們為科學研究插上了騰飛的翅膀,帶著人們飛向更高、更遠的“天空”。

作者簡介王麗娜,科技導報社,編輯。

本文發表在2017年第3期《科技導報》,歡迎關注。本文部分圖片來自網際網路,版權事宜未及落實,歡迎圖片作者與我們聯絡稿酬事宜。

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