同步輻射打開微觀世界

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，人類掌握光源的能力也越來(lái)越強(qiáng)，同步輻射就是一種現(xiàn)代科技帶來(lái)的神奇光源。這種光源與核裂變發(fā)光、熱電子發(fā)光、熒光粉發(fā)光、光電二級(jí)管發(fā)光不同，制造這種光源的設(shè)備極為龐大，通常一座同步輻射光源的占地面積有5～10個(gè)足球場(chǎng)大小。同步輻射的光覆蓋頻段極寬——從遠(yuǎn)紅外線到硬X射線波段，是人們研究微觀物質(zhì)世界的一副神奇的 “眼鏡”?？茖W(xué)家們利用這副“眼鏡”研究各種重要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)材料的微觀結(jié)構(gòu)、電池材料的微觀結(jié)構(gòu)、蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu)……

同步輻射光源的發(fā)現(xiàn)

同步輻射是一種電磁輻射，更為準(zhǔn)確地說(shuō)，它是一種基于電子相對(duì)論效應(yīng)的輻射發(fā)光。同步輻射存在于宇宙空間中，在超新星爆發(fā)時(shí)，星際帶電云團(tuán)在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)并會(huì)產(chǎn)生同步輻射。而在地球上，同步輻射真正用于科學(xué)研究是在同步加速器上發(fā)現(xiàn)輻射光之后才開始的。

1947年4月24日，美國(guó)通用電氣公司的幾位科學(xué)家在操作一臺(tái)70 MeV同步加速器時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)在真空腔上出現(xiàn)了一道耀眼的淡藍(lán)色弧形光。他們意識(shí)到這道光是同步輻射，很快就發(fā)表了題目為《來(lái)自于同步加速器中電子的輻射》的論文，得到了學(xué)界的認(rèn)可。

經(jīng)過(guò)若干年的研究，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了同步輻射的神奇之處：首先，它具有很寬的光譜，目前沒(méi)有任何一種光源能和同步輻射相媲美。太陽(yáng)光輻射到地面上的波長(zhǎng)范圍多數(shù)集中在紅外線到可見(jiàn)光區(qū)域。而同步輻射的光譜則涵蓋了遠(yuǎn)紅外線到硬X射線波段，對(duì)應(yīng)能量從幾毫電子伏到幾萬(wàn)電子伏。從能量所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)看，同步輻射對(duì)應(yīng)的尺度范圍從微米級(jí)細(xì)胞的尺度一直到埃級(jí)（1埃=10-10米）原子的尺度。

同步輻射裝置包含幾個(gè)重要的組成部分：一是光源，即加速器以及插入件；二是光束線，即利用各種光學(xué)部件將同步輻射引入到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的管道；三是實(shí)驗(yàn)站，即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)站的功能各有特色，一個(gè)同步輻射裝置能夠同時(shí)進(jìn)行幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)。因此，可以說(shuō)全世界的同步輻射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成了世界上最大、研究課題最廣、研究領(lǐng)域最豐富的多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室。

推動(dòng)蛋白質(zhì)晶體學(xué)革命

1964年，英國(guó)科學(xué)家霍奇金因測(cè)定抗惡性貧血的生化化合物的基本結(jié)構(gòu)而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，開創(chuàng)了蛋白質(zhì)晶體學(xué)。在霍奇金的年代只能利用普通的X光管產(chǎn)生的X射線來(lái)解析晶體結(jié)構(gòu)，如果解析復(fù)雜的生物大分子晶體則耗時(shí)極長(zhǎng)。胰島素是治療糖尿病的關(guān)鍵藥物，但利用X光管來(lái)解析晶體結(jié)構(gòu)耗時(shí)很長(zhǎng)，1969年，在霍奇金獲得諾貝爾獎(jiǎng)5年后，他才著手研究胰島素晶體結(jié)構(gòu)。但幸運(yùn)的是，一年之后（1970年）德國(guó)漢堡的科學(xué)家完成了同步輻射在生物樣品中的衍射研究，在同步輻射的幫助下，霍奇金很快解析出了胰島素的三級(jí)晶體結(jié)構(gòu)。

稱同步輻射為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃一點(diǎn)也不為過(guò)。1988年，德國(guó)科學(xué)家約翰·戴森霍費(fèi)爾等人利用同步輻射測(cè)定細(xì)菌光合反應(yīng)中心膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，最終獲得諾貝爾獎(jiǎng)。英國(guó)科學(xué)家約翰·沃克利用英國(guó)本土的同步輻射光源，解析出三磷酸腺苷膜蛋白的結(jié)構(gòu)，因而獲得1997年的諾貝爾獎(jiǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，科學(xué)界對(duì)同步輻射光源的利用更加普遍，在大“眼鏡”的輔助下，2003年、2006年、2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)均花落蛋白質(zhì)晶體學(xué)領(lǐng)域。該領(lǐng)域最近的獲獎(jiǎng)?wù)邉t是美國(guó)科學(xué)家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·克比爾卡，他們?cè)?012年因G蛋白偶聯(lián)受體研究獲獎(jiǎng)。

為什么蛋白質(zhì)晶體研究必須要利用同步輻射呢？原來(lái)對(duì)于蛋白質(zhì)晶體研究來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間輻照會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)死亡，無(wú)法獲得其結(jié)構(gòu)。但同步輻射比普通X射線光源強(qiáng)度高，能夠在蛋白質(zhì)死亡前獲得晶體衍射數(shù)據(jù)，從而獲知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。目前，在著名的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)有8萬(wàn)余條珍貴信息，其中大多數(shù)晶體結(jié)構(gòu)都是靠同步輻射裝置解析得到的。

在中國(guó)，同步輻射裝置在蛋白質(zhì)前沿研究方面也有貢獻(xiàn)，如饒子和院士對(duì)SARS病毒結(jié)構(gòu)的解析，清華大學(xué)施一公教授的基因組改造技術(shù)等。隨著同步輻射光亮度、準(zhǔn)直性的大幅度提高，未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被解析，而這種解析對(duì)于設(shè)計(jì)藥物有著至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。

古生物學(xué)家的隱形手術(shù)刀

在人類出現(xiàn)之前，地球上已經(jīng)存在著豐富多姿的生命形態(tài)，古生物學(xué)的目標(biāo)就是解開這些遙遠(yuǎn)時(shí)空中的生命之謎。2006年，我國(guó)古生物學(xué)家陳均遠(yuǎn)教授利用同步輻射的微區(qū)斷層掃描成像方法，對(duì)貴州甕安挖掘出來(lái)的前寒武紀(jì)具極葉結(jié)構(gòu)的胚胎化石進(jìn)行了三維無(wú)損傷研究，研究結(jié)果令世界震驚。這次研究不僅證明了生命演化史上較為復(fù)雜的兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物在距今5.8億年的甕安動(dòng)物群時(shí)代就已存在，而且表明它們?cè)谀莻€(gè)時(shí)候就開始分化，證實(shí)了達(dá)爾文進(jìn)化論的猜想。在此之前，研究人員利用掃描電鏡等手段對(duì)化石進(jìn)行研究，但是由于掃描電鏡對(duì)樣品的穿透深度有限，通常需要將化石切成極薄的片狀物才可以觀察，這樣勢(shì)必導(dǎo)致化石被破壞，會(huì)遺漏重要的生物信息。同步輻射斷層掃描成像的最大優(yōu)點(diǎn)就在于無(wú)損探測(cè)。這就相當(dāng)于醫(yī)生不需要開刀，通過(guò)CT技術(shù)就能判斷患者體內(nèi)是否有病癥。同步輻射斷層掃描方法的空間分辨率更高，是醫(yī)用CT的1000倍，可以看到更細(xì)微的結(jié)構(gòu)。另外，同步輻射光源具有極高的亮度，能夠達(dá)到更好的成像襯度，將極其細(xì)小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)給我們。

法國(guó)夏朗德附近曾發(fā)現(xiàn)過(guò)大量白堊紀(jì)中期的動(dòng)物化石，總共356種化石中都夾雜完全不透明的琥珀，而這種不透明的包裹物是一個(gè)很大的研究障礙。2008年，古生物學(xué)家利用同步輻射的相位襯度微區(qū)造影術(shù)，立刻將這些像石頭一樣的、深黑色琥珀所包裹的內(nèi)部物質(zhì)展現(xiàn)出來(lái)了，科學(xué)家們對(duì)這356種動(dòng)物化石中的640塊琥珀進(jìn)行了造影，發(fā)現(xiàn)有蒼蠅、螞蟻、蜘蛛、螨等。同步輻射解決了古生物學(xué)家頭疼了若干年的大難題，也為人類進(jìn)一步了解古生物的秘密提供了一把隱形手術(shù)刀。

助力高壓學(xué)，創(chuàng)造超級(jí)材料

高壓技術(shù)能使材料呈現(xiàn)更多獨(dú)特的電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)性能。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，同步輻射在高壓學(xué)科中發(fā)揮著極其重要的作用。美籍華人毛河光院士在美國(guó)芝加哥的先進(jìn)光源上建立了高壓合作團(tuán)隊(duì)，利用多種同步輻射方法，研究了多種材料在高壓條件下的奇異性質(zhì)，開創(chuàng)了利用同步輻射實(shí)驗(yàn)方法研究高壓材料的先河，引起世界矚目。

為什么要用同步輻射方法來(lái)研究高壓下的材料結(jié)構(gòu)？這是因?yàn)楦邏貉芯康臉悠烦叽缭趲资⒚琢考?jí)，只有將X射線聚焦到這樣的尺寸才能進(jìn)行研究。同步輻射亮度高，聚焦到極小的尺寸，光密度也很高，能夠更精確地展現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測(cè)新材料合成的條件。高壓學(xué)科有一個(gè)亟待突破的領(lǐng)域，即利用高壓技術(shù)壓縮氫氣生成金屬氫，這一研究的突破被人們認(rèn)為很有可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

探尋環(huán)境中的重金屬

目前，環(huán)境污染中的重金屬污染尤為嚴(yán)重，重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，對(duì)人體會(huì)造成很大的危害。

汞是對(duì)環(huán)境及生物有嚴(yán)重危害的重金屬元素之一。我國(guó)是汞生產(chǎn)、消費(fèi)和排放大國(guó)，近年來(lái)，中科院高能所依托同步輻射裝置研究了汞的形態(tài)，揭示了利用硒除汞的機(jī)理。我國(guó)科學(xué)家陳同斌曾發(fā)現(xiàn)過(guò)一種能夠富集砷的植物，叫蜈蚣草。他和合作者利用北京同步輻射裝置的X射線吸收譜學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了這種草富集砷的分布情況，解決了砷污染土壤植物修復(fù)問(wèn)題。這一植物修復(fù)工程在云南和廣西都開展了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化示范工作。國(guó)際上有科學(xué)家利用同步輻射研究稻米等農(nóng)作物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些污染物（如汞、砷）都富集在稻米的外層，而稻米內(nèi)層則富含極具營(yíng)養(yǎng)的鐵和鈣。稻米上的重金屬污染研究正是利用了同步輻射的X射線微區(qū)熒光掃描法，在微米尺度上揭示了重金屬污染的分布情況。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于人們辨別稻米質(zhì)量、降低攝入性中毒的幾率都具有極其重要的意義。

在環(huán)境學(xué)科里，同步輻射方法的應(yīng)用尚處于探索時(shí)期，但筆者堅(jiān)信，會(huì)有越來(lái)越多的環(huán)境問(wèn)題需要同步輻射這個(gè)“火眼金睛”幫忙，最終找到解決污染的辦法。

【責(zé)任編輯】張小萌