超高速成像技术让研究人员拥有窥视原子世界最
时间:2017-12-07

  超高速成像技术使研究人员能够窥视原子世界的最佳武器 - 新闻 - 科学网

  化学家是梦想家。他们每天都假设分子在空间中漂浮,原子跳舞,他们在脑海中旋转结构,从多个角度观察结构,转动每个分子,直到一个化学键打开,另一个化学键点击到位。

  几乎所有化学家都有这种筛选模式,因为它们提供了一种视觉化学反应的方式。贯穿所有化学学科的头脑中的这个实验,都是关于想象原子的实时运动。德国汉堡马克斯 - 普朗克物质结构与动力学研究所的加拿大多伦多大学的物理学家,物理学家德温·米勒说,这是化学领域每个人都能做的梦想。

  在第一次发现分子结构之后,化学家的梦想已经进行了150多年,现在这些幻想已经实现,研究人员正在使用一系列技术来指导实验室的分子膜,这些电影以令人难以置信的光或电子的短脉冲来解释场景,一些依靠扫描隧道显微镜(STM)的原子精度,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(10 12秒)或飞秒(10 15)之间的事件,在此期间,原子仅移动到皮米级(氢原子的直径约为100皮米)。在这个决议中,研究人员首次可以直接观察到分子在慢动作中的蠕变,原子键的振动和断裂,或者电子的来回摆动,随着一些技术变得更加主流,它们带来的好处将会它们可以提供关键的信息,从而导致更好的催化和人造光合作用,或为计算和通信操纵分子量子特征提供新的途径。

  光,相机,拍!

  分子摄影的来源可以追溯到20世纪80年代出现的捕捉分子快照的方法。被称为泵浦检测光谱学的领先技术之一使用仅持续几飞秒的激光脉冲触发化学反应。然而,用于飞秒化学的激光脉冲的波长远大于单个原子之间的距离,因此不能直接说明分子中原子的位置。

  为了清楚地了解单个原子,科学家长期以来一直依靠X射线晶体学和电子衍射研究质子或电子在通过分子时如何散射。同时,诸如STM和原子力显微镜(AFMs)等工具提供了关于单个分子中的原子和其周围的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时间来获取图像,这对于来回观察原子来说太慢了。

  因此,在过去几年中,分子电影制作者已经将飞秒化学,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,为不同学科提供最佳解决方案,结合时间和空间分辨率来展示原子和/或自然栖息地的分子。

  去年,德国雷根斯堡大学的研究人员使用激光脉冲来显着提高STM的快门速度,这种显微镜依赖尖端(顶点上的单个原子),可以在一个表面附着一个分子继续。由于短距离的量子行为,电子能够将液体从分子和尖端拉出或打开隧道以形成电子流。当尖端移动时,电子流的大小的变化可以揭示分子周围的分散的电子形态。

  虽然这个实验是一个概念的证明,但是团队主要作者之一的物理学家Jascha Repp认为他的团队可以将THz-STM时间分辨率降低到10飞秒,这将显示更快的过程:电子在吸收光之后在分子上滑行或氢离子在不同的点上跳跃,这个过程被称为相互转换,这会影响许多生物分子的响应。

  感觉结果

  STMs和AFMs的一个吸引人之处在于该设备的不锈钢真空室和探针簇适用于小型实验室,该技术可以被描述为一个独立的分子膜生产工作室,相对而言,许多研究人员可以访问到它。

  余额的另一端是美国加利福尼亚州斯坦福大学国家加速器实验室的4.14亿美元线性连续加速器光源(LCLS)的轰动效应。这个巨大的X射线自由电子激光(XFEL)设施产生明亮,连续的脉冲,揭示惊人的蛋白质结构。设备比赛时间是非常激烈的实验。

  去年,一个国际研究小组报告说,首次使用LCLS X射线脉冲观察到一个重要的生物过程。该小组的目标是发光蛋白(PYP),一种用于某些细菌领域的光传感器,在PYP的中心是一个光吸收区域,含有严格的碳 - 碳双键,不能自由进入。双键的每一端通常指向相反的方向,这种结构是反式的,但是团队用一个蓝色的激光脉冲暂时中断了一个化学键,将大的基团转变为顺式结构,指向相同的方向,生物系统中经常出现异构现象。

  研究小组利用一个40飞秒的X射线脉冲跟踪了最初的激光照射,这个脉冲产生了散射图案,显示出原子的位置。将它们拍摄成视频影片显示,在光刺激PYP之后,异构现象发生约550飞秒。最令人意想不到的是,这不是直接的。作为团队成员的亚利桑那州立大学化学家的成员之一Petra Fromme说,它彻底改变了这种化学反应发生的方式。

  这个实验的目标是溶解在溶液中的毫米级晶体,但其他研究人员也设法使用LCLS捕获气体中的单个分子。 2015年,他们拍摄了一个断裂环分子的视频,这是化学和生物化学领域的典型反应。由于X射线的波长很难直接区分原子,因此团队依靠理论模拟将图像锐化为16帧分子膜。目前,10亿美元的LCLS-II升级正在进行中,将提供更短波长的X射线。总之,更频繁的脉冲将提高电影的时间和空间分辨率。 Fromme希望新一代紧凑型XFEL(每个价格低于1500万美元)将使科技更加开放。

  终极自拍

  目前,LCLS能量最高的X射线波长为150皮秒,分辨单个碳原子或氢原子稍长一些。为了进一步扩大显示,研究人员可以利用具有较短波长的快速移动电子,从而在单个分子上衍射时提供更好的空间分辨率。这是冷冻电子显微镜的原理,这是一种革新结构生物学领域的技术,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,而不必等待它们形成晶体。

  低温电子显微镜提供了许多聚类在一起的分子镜头,而另一些电子成像单个分子。去年,由西班牙巴塞罗那光子学研究所所长Jens Biegert领导的研究小组利用激光诱导电子衍射(LIED)研究了乙炔(C2H2)的单个分子。在这种技术中,红外脉冲将分子定向在一个确定的方向上,而第二个脉冲将两个电子击出队列以破坏乙炔碳氢键之一。

  像任何其他形式的光一样,这些激光脉冲也由振荡电子和磁场组成。第二个脉冲的电场将挑选一个自由电子并猛烈地抛出。电子将在第一次逃离后以9飞秒的速度到达,速度足够快,直接通过分裂的分子。在这个过程中,当波浪在岩石海岸上分裂时,它会衍射出来,在快门速度超过1飞秒的地方形成一个显示原子位置的图案。这可能是分子的终极自拍。

  在下一个分子电影制作阶段,其他研究人员希望从飞秒到阿秒(10-18)的激光脉冲将产生前所未有的慢动作序列。在这种快门速度下,原子似乎以低速移动,电子活动清晰可见。哥伦比亚俄亥俄州立大学的物理学家Louis DiMauro说,这将是一个关键的步骤,因为电子行为最终控制着分子中原子的运动。

  大多数研究人员认为,现在是时候立即展开示范项目,并应用这些技术来研究各个学科的问题。如果开发这些工具的人能够说服化学家和材料科学家,那将会带来巨大的发展。比格特说。毕竟,理解的第一步是用眼睛。 (金楠汇编)