超高速成像技术让研究人员拥有窥视原子世界最佳利器

资料来源:托马斯·波罗斯托奇

化学家是梦想家。每天，他们想象分子漂浮在太空中，原子迈着庄严的步伐跳舞。他们在头脑中旋转结构，从多个角度观察它们，让每个分子旋转，直到一个化学键打开，另一个化学键卡在原位。

这种投射模式存在于几乎所有化学家的头脑中，因为它们提供了化学反应如何发生的“视觉”方式。“在大脑中进行的贯穿化学所有学科的实验，是在想象原子的实时运动。”德国汉堡马克斯·普朗克材料结构和动力学研究所和加拿大多伦多大学的物理化学家德韦恩·米勒说，“这是化学领域的每个人都能梦想的梦想。”

在首次发现分子结构后，化学家们已经做了150多年的梦。现在，这些幻想正在变成现实。研究人员正在实验室使用一系列技术来指导分子薄膜。这些电影大多使用难以置信的短脉冲光或电子来解释各种场景。其中一些依赖于扫描隧道显微镜(STMs)的原子精度，而另一些则利用强烈的X射线爆发来揭示目标结构。

他们的目标是拍摄发生在皮秒(1012秒)或飞秒(1015秒)之间的事件，在此期间原子仅在皮米尺度上运动(氢原子的直径约为100皮米)。在这个分辨率下，研究人员第一次可以直接观察到分子在慢动作中的蠕动，原子键的振动和断裂，或者电子的来回振荡。随着这些技术变得越来越主流，它们带来的收获将是巨大的。它们可以为更好的催化和人工光合作用提供关键信息，或者为计算和通信提供操纵分子量子特征的新渠道。

灯光，摄像机，拍摄！

分子摄影的起源可以追溯到20世纪80年代出现的捕捉分子快照的方法。一种被称为泵浦探测光谱学的领先技术使用持续时间只有几飞秒的激光脉冲来触发化学反应。然而，飞秒化学中使用的激光脉冲的波长远大于单个原子之间的距离，因此它不能直接区分分子中原子的位置。

为了获得单个原子的清晰图像，科学家们一直依靠X射线结晶学和电子衍射来研究质子或电子通过分子时是如何散射的。与此同时，诸如扫描隧道显微镜和原子力显微镜(AFMs)等工具提供了关于单个分子中原子及其周围电子簇的更详细的信息。然而，这些技术通常需要几毫秒或更长的时间来获取图像，这对于观察原子来说太慢而不能来回移动。

因此，在过去的几年中，分子电影制作者将飞秒化学、散射和原子成像的各个方面结合起来，形成了一个混合技术工具箱，为不同学科提供了最佳解决方案，并结合时间和空间分辨率展示了原子和分子的自然栖息地。

去年，德国雷根斯堡大学的研究人员利用激光脉冲显著提高了扫描隧道显微镜的快门速度。扫描隧道显微镜是一种显微镜，依靠一个尖锐的顶点(顶点收缩成一个原子)，可以在粘在表面的单个分子上移动。由于短距离量子行为，电子可以泵送液体或在分子和尖端“打开隧道”形成电子流。随着尖端的移动，电子流大小的变化可以揭示分子周围分散的电子形态。

虽然这个实验只是一个概念性的证明，但该团队的主要作者之一物理学家Jascha Repp认为，他的团队可以将THz-STM的时间分辨率降低到10飞秒，这将揭示一个更快的过程:电子在吸收光后在分子上滑行，或者氢离子在不同的点上来回跳跃，这一过程称为相互变化，可以影响许多生物分子的反应。

轰动的结果

STMs和AFMs的一个吸引人之处是设备——不锈钢真空室和探针组——可以应用于小型实验室。这项技术可以说是一个独立的分子电影制作工作室，许多研究人员相对容易接触到。

天平的另一端是加州斯坦福大学国家加速器实验室在线性连续加速器光源(LCLS)上取得的惊人成就，价值4.14亿美元。这个巨大的x光*电子激光器(XFEL)可以产生明亮的连续脉冲，揭示惊人的蛋白质结构。这种设备的实验时间竞争非常激烈。

去年，一个国际研究小组报告说，首次使用LCLS X射线脉冲观测到了一个重要的生物过程。该小组的目标是光敏黄色蛋白(PYP)，这是一种用于某些细菌领域的光传感器。位于PYP中心的是一个光吸收区，包含一个严格的碳碳双键，不能*移动。双键两端的大基团通常指向相反的方向，这种构型称为“反式”然而，该小组使用蓝色激光脉冲来暂时破坏一个化学键，将一个大的基团转变成“顺式”结构，指向同一个方向。这种反式-顺式异构现象经常发生在生物系统中。

该团队用一个40飞秒长的x光脉冲跟踪最初的激光冲击，这产生了一个显示原子位置的散射图案。在这些电影被制作成视频电影之后，显示出在PYP的光刺激之后大约550飞秒出现了异构现象。"最意想不到的是，它不是立即发生的。"亚利桑那州立大学的生物化学家、团队成员佩特拉·弗洛姆说，“这完全改变了人们对这种化学反应如何发生的看法。”

该实验的目标是漂浮在溶液中的毫米晶体，但其他研究人员也设法利用LCLS来拍摄气体中的单个分子。2015年，他们拍摄了一部环分子断裂的电影，这是化学和生物化学领域的经典反应。由于X射线的波长太长，无法直接区分原子，该团队依靠理论模拟将图像锐化成16帧的分子电影。目前，一个耗资10亿美元的LCLS二号升级项目正在进行中，该项目将提供波长更短的x光。简而言之，更频繁的脉冲将提高电影的时间和空间分辨率。Fromme希望下一代紧凑型XFELs(每台价格低于1500万美元)将使这项技术对更多的科学家开放。

终极分子自拍

目前，LCLS能量最高的X射线波长为150皮秒，这对于区分单个碳原子或氢原子来说稍嫌太长。为了进一步放大显示，研究人员可以使用快速移动的电子，它们具有较短的波长，因此在分子上衍射时可以提供更好的空间分辨率。这就是冷冻电子显微镜背后的原理。这项技术目前正在彻底改变结构生物学领域，很大程度上是因为它提供了冷冻样品中蛋白质的详细结构，而无需等待它们形成晶体。

冷冻电子显微镜提供了一个聚光镜，许多分子聚集在一起，而其他技术使用电子来成像单个分子。去年，由西班牙巴塞罗那光子学研究所主任延斯·别格特(Jens Biegert)领导的一个小组报告说，使用激光诱导电子衍射(LIED)研究了乙炔的单分子(C2H2)。在这项技术中，一个红外脉冲将分子排列在一个确定的方向上，然后第二个脉冲将两个电子从队列中剔除，破坏乙炔的一个碳氢键。

像任何其他形式的光一样，这些激光脉冲由振荡的电子和磁场组成。第二个脉冲的电场将选择一个*电子，并将其猛烈地抛回到分子中。这个电子将在第一次逃逸后9飞秒到达，其速度足以直接穿过分裂的分子。在这个过程中，它会像岩石堤上的波浪一样发生衍射，形成的模式可以以快于1飞秒的快门速度揭示原子的位置。这可能是终极分子自拍。

在分子膜生产的下一阶段，其他研究人员希望从飞秒到阿秒(10-18)的激光脉冲能产生一个前所未有的慢动作序列。在快门速度下，原子似乎以较慢的速度运动，电子的运动清晰可见。哥伦比亚俄亥俄州立大学的物理学家路易斯·迪莫罗说，这将是关键的一步，因为电子的行为最终控制了分子中原子的活动。

大多数研究人员都认为，是时候立即推进示范项目，并将这些技术应用于各种学科的研究问题了。“如果这些工具的开发者能够说服化学家和材料科学家，这将带来巨大的发展。”比格特说。毕竟，“理解的第一步是看”(晋南编)