解密欧洲大型同步加速器的台前幕后

位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置(ESRF)

凌晨4点30分，博士生沃伦·史蒂文森已经22个小时没睡觉了。“我累了，但我们要么现在工作，要么根本不工作。”他盯着两个电脑屏幕说，“我们计划6点休息，8点醒来。时间很紧。”

史蒂文森很紧张，因为他只有几个小时来收集数据，这对他的液晶结构博士论文非常重要。此外，他不是唯一不睡觉的科学家。在隔壁房间，工作人员同时进行28项独立实验。这是位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置(ESRF)。ESRF是世界三大高能加速器之一，它能发射世界上最高能量的x光。

在这里工作的人来自不同的领域:化石、电池、蛋白质、矿物等。但是只有一个目的:观察物质的内部结构。大部分当前用户是前一天来的，只花了八个小时收集数据。这种设备的使用很有竞争力，只有大约45%的申请获得批准，设备日夜运转以尽可能满足需求。

每年大约有8000名科学家来这里进行2000多项实验，并为大约1800篇论文生成数据。在过去的7年里，两位科学家因为在同步加速器中的发现而获得了诺贝尔奖。这是一个不间断的跨学科国际实验室。

“我们在这里的时间很宝贵。下一次可能需要几个月，如果不幸的话，可能需要一年。”史蒂文森的博士生导师曾湘兵说。一些用户的团队足够大，可以转移，而其他人则不得不带着黑眼睛回家。但是科学家不介意。他们非常珍惜收集数据的机会。"接下来的一周，你会感觉到时差."生物化学家安德烈·施密特说:“来到这里总是令人兴奋。”

10点

施密特准备好战斗了。她和两个同事前一天刚从德国柏林的沙雷特医学院来到这里，带来了120个用液氮冷冻的蛋白质晶体。他们只有24小时来推断这些晶体的结构。这是一种经过修饰的细菌蛋白质，当受到红光照射时会发出荧光，可用于标记和研究活组织结构。然而，科学家们还不知道这种蛋白质在原子和分子水平上是如何工作的。施密特说，回答这个问题将是一个重要的成就。

同步加速器是结构生物学的一个分支。世界上大约有50种，科学家去年报道的6000种原子分辨率蛋白质结构中的大多数都是使用这些设备获得的。在ESRF，工作空间由一个小办公室组成，可以进入一个狭窄的实验室，施密特和他的同事将在那里分析他们的晶体。

施密特的团队一到达，他们就开始用磁带记录他们能找到的可见光光源。光能导致蛋白质晶体中的分子振动，使得捕捉和生成原子分辨率图像变得困难。施密特不停地打开和关闭电源，检查房间是否完全黑暗。

10:23

在844米长的同步加速器*线圈中，电子以接近光速的速度运动并发射出X射线。x光通过细管发射到43个站。

由于机器前一天因维修而关闭，专业工程师在清晨向线圈注入新的加速粒子束。每束射线都有自己专门的ESRF科学家，他们为当天的实验校准X射线束，并经常和实验小组呆在一起。“有许多关键部分和许多可能的失败原因。日常检查非常重要。”施密特团队的支持科学家大卫·冯·斯特腾说。

10:46

史蒂文森、曾和博士生黄从准备液晶样品开始了他们一天的工作。来自英国谢菲尔德大学的团队想要找出这些晶体中分子是如何排列的。这项研究将有助于改善屏幕。

12:15

在200米外的一个小车间里，意大利佩鲁贾大学的博士生安娜丽莎·切利正在用切片机准备超薄干漆切片。这是她第一次来这里。她说:“你可以感觉到这里的气氛充满了研究。”

切丽正准备用x光照射取自挪威艺术家爱德华·蒙克的《尖叫》和杰森·布拉克的《炼金术》的样本。随着时间的推移，这些作品呈现出淡黄的色调，但博物馆工作人员不知道为什么。这项研究将有助于解释原因，从而保护这些艺术品。

佩鲁贾分子科学与技术研究所的莫尼科和基耶利领导的团队将扫描各种黄色颜料样品，以找出由不同化学元素组成的颜料如何吸收x光以及它们如何随时间变化。像大多数其他研究人员一样，莫尼卡和切丽不需要为机器的使用付费。共有21个国家注册成为同步加速器的成员，每年支付1.1亿欧元。

13:17

由于用户来自世界各地，这里有两个食堂。食堂提供肉、鱼、比萨饼、意大利面、甜点、奶酪、酸奶和其他食物。尽管ESRF的官方语言是英语，但许多语言在这里出现，使它像一个联合国会议厅。

莫妮卡团队选择了上面比较安静的餐厅。"我喜欢沙拉和许多蔬菜。"她说。

14点

施密德更焦虑。这个团队已经落后于计划:花了半天时间建立光敏蛋白质的实验。“如果你没有克服挫折的好方法，那你就必须承担责任。”她说。

16点

邻居马修·鲍勒看上去很放松。他扫描了芬兰快运公司送来的80份晶体样品，成功地鉴定了3种蛋白质结构。

鲍尔尔并不是独自一人完成的。他使用自动x光结晶学光束进行研究。该设备可以确定在哪里照射x光，以便更好地收集数据。"它可以一天24小时工作。"鲍尔尔自豪地说道。该设备去年加工了15000颗晶体。

18:50

Alexey Nikulin和Natalia Lekontseva正在用液氮分配器填充保温瓶。他们来自俄罗斯普西诺蛋白质研究所。"德国汉堡的同步加速器此时关闭，而柏林的同步加速器已经饱和。"尼克林说。液氮将被用来保存它们的晶体——核糖核酸结合蛋白。

19:10

在走廊外面，马格努斯·拉尔森正准备回家。拉尔森是瑞典马克斯四号同步加速器的企业联系人。马克斯四号同步加速器计划于6月开始运行，以提供更明亮、更紧凑的x射线束。他来这里学习ESRF与企业研究人员的合作经验。外面已经黑了，研究人员开始去餐馆吃饭。

21点

加速器的电子耗尽了。内衬铅的管道不能完全抽真空，电子偶尔会与空气分子碰撞，导致光束轻微散射并失去能量。工程师们更换了同步加速器储存环，以保持光束在夜间运行。

21:36

在ID22演播室里，电脑响起了一声锣响，这表明最新的测量已经完成。以色列海法理工学院的博阿兹·波克罗伊领导的团队由五名八个月前申请ESRF的科学家组成。博克罗伊说等待是值得的，“毫无疑问，ESRF是地球上最好的同步加速器。”

22:19

莫尼卡团队正在完成他们的油漆分析，并准备返回ESRF酒店休息。这家旅馆有173个房间，那天晚上都被预订了。范梅尔特正在输入计算机密码，以指示机器人通过x光光束缓慢发送颜料样本。

"如果有一个错误，它将在一夜之间被浪费掉."ESRF光束科学家玛丽·科特说。

23点

但是，波克罗伊的工作并不顺利。锣声响了，贾科贝什么也没看见。“哦，那意味着开夜车。”她叹了口气。

23:13

因为旅馆客满，一些科学家无法预订房间。挪威奥斯陆大学的材料科学家圣乔治·卡兰佐普洛斯和埃里克·格里斯恩计划步行40分钟到格勒诺布尔的一家酒店。这时开始下雨，当他们到达旅馆时，他们浑身湿透了。

00:00

施密特的团队取得了突破性进展。"当这样的结果让我们兴奋时，我们不再需要咖啡来提神."施密特的同事比拉尔·库雷希说。

两点

同步加速器已经空了，但许多实验人员仍留在车间里。德国柏林*大学的化学家斯特凡·梅斯就是其中之一。在接下来的两周内，他和他的同事Peer Schrapers将会上夜班，因为他们的样本需要每半小时手工更换一次。

3点

在加速器的另一端，三名科学家正在休息。他们在办公室放了一张沙发，以便有时间小睡一会儿。比利亚诺瓦在附近的厨房煮咖啡。

五点

尽管之前取得了成功，施密特和他的同事们并没有放松。因为一个样品架坏了，他们花了半个小时试图修理它，最后放弃了。这30个晶体还没有被分析。他们疲惫地回到酒店，5小时后飞回德国。施密特将在两周内返回这里分析其他晶体。

八点

夜班结束了。清洁工正在打扫卫生，以便在新一波科学家蜂拥而至之前清理干净。贾科贝和他的同事一大早就回到办公室，试图解决昨天发生的问题。“我们认为这是一个网络问题，但实际上是一个软件问题。”她说。

九点

施密特团队腾出的工作室里出现了两个新面孔。西班牙巴塞罗那分子生物学研究所的Theodoras Goulas和Castrillo Bricenyo可以24小时使用这些设备。“我相信我能得到一些东西。”古拉斯说。(张张)

《中国科学新闻》(第三版国际，2016年4月19日)