超高速成像技术让研究人员拥有窥视原子世界最佳利器

　　化学家都是梦想家。每一天，他们都会设想分子在空间中漂浮着，原子用庄严的步伐跳着舞。他们在脑海中旋转着这个结构，从多个角度审视它们，让每个分子转动着，直到一个化学键被弹开、另一个化学键卡入到位。

　　这样的放映模式存在于几乎所有化学家的脑海中，因为它们提供了一种让化学反应如何发生的“视觉化”方式。“化学领域所有学科中贯穿的这种在头脑中发生的实验都是在想象原子的实时移动。”德国汉堡马普学会物质结构与动态研究所与加拿大多伦多大学理化学家Dwayne Miller说，“这是化学领域所有人都会做的梦。”

　　在分子结构首次发现之后，化学家的这个梦已经做了150多年。现在，这些幻想正在变成现实。研究人员正在利用一系列技术在实验室中导演分子电影，这些影片中大多数是用令人难以置信的光或电子短脉冲解释各个场景。其中一些依赖于扫描隧道显微镜（STMs）的原子精度，另一些则利用X光射线的强烈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，其间，原子仅发生了皮米级（一个氢原子的直径约为100皮米）的移动。在这样的分辨率下，研究人员首次能够直接观测到一个分子在慢镜头下的蠕动、原子键振动和断裂或是电子前后摆动。随着些技术变得越来越主流，其带来的收获将是巨大的。它们能够提供产生更好催化作用和人工光合作用的关键信息或是提供操控分子的量子特征用于计算和通信的新渠道。

　　光，相机，拍摄！

　　分子摄影的源头可追溯至上世纪80年代出现的捕捉分子快照的方法。一种叫作抽运—探测光谱的领先技术利用持续仅数飞秒的激光脉冲触发化学反应。但飞秒化学中所用的激光脉冲的波长比单个原子之间的距离大得多，因此它不能直接分辨出分子中原子的位置。

　　为了获得单个原子的清晰图像，科学家一直以来都依赖于X光晶体学和电子衍射，研究质子或电子在通过分子时如何散射。同时，诸如STMs等工具和原子力显微镜（AFMs）则提供了单个分子中的原子以及它们周围的电子簇的更多详细信息。但这些技术获取图像时通常需要花费数毫秒或更长时间，这对于观测原子前后移动过于缓慢。

　　因此，过去几年，分子影片制作者结合了飞秒化学、散射和原子成像的各个方面，以形成一种混合技术工具箱向不同学科提供最佳解决方法，结合时间和空间分辨率展示原子及分子的自然生境。

　　去年，德国雷根斯堡大学的研究人员利用激光脉冲显著提升了STM的快门速度，这种显微镜依赖于一个尖锐顶点（顶点缩成一个单一原子），它可以在一个表面上黏贴的单个分子上移动。由于短距离的量子行为，电子能够在分子和该尖端抽去液体或“打开隧道”，形成电子流。随着尖端移动，电子流大小的变化可以揭示分子周围弥散的电子形态。

　　尽管这项实验只是一个概念上的证明，该团队领衔作者之一、物理学家Jascha Repp认为，他的团队可以将THz-STM的时间分辨率缩小到10飞秒，这将可以揭示更快的过程：电子在吸光后会在分子上滑翔，或者氢离子会在不同点前后跳跃，这一过程叫作互变现象，它可以影响很多生物分子的反应。

　　轰动一时的成果

　　STMs和AFMs的一个吸引人之处是该设备——不锈钢真空室和探针簇——可适用于小实验室。这项技术可谓是分子影片制作的独立工作室，相对来说，很多研究人员都可以获取到。

　　天平的另一端是在美国加州斯坦福大学国家加速器实验室价值4.14亿美元的直线性连续加速器光源（LCLS）上做出的轰动一时的成果。这个巨大的X射线自由电子激光（XFEL）设施可产生明亮、连续的脉冲，揭示惊人的蛋白质结构。该设备实验时间的竞争非常激烈。

　　去年，一个国际研究团队报告称，利用LCLS的X光脉冲首次观测到一个重要的生物学过程。该团队的目标是光敏黄蛋白（PYP），这是一些细菌域采用的光敏感器。位于PYP核心的是一个含有严格的、不能自由活动的碳—碳双键的吸光区。位于双键每端的庞大群体通常指向相反方向，这种配置被成为“反式”。但该团队利用一个蓝色激光脉冲暂时打断了其中一个化学键，让庞大的群体转变为“顺式”结构，指向同样的方向。这种反式—顺式异构现象在生物系统内经常发生。

　　该团队用一束40飞秒长的X光脉冲跟踪了最初的激光冲击，其产生的散射模式可以揭示原子的位置。将这些拍摄成视频电影后表明，异构现象约发生在光刺激PYP之后约550飞秒。“最出乎意料的是它并非是立即的。”该团队成员、亚利桑那州立大学生化学家Petra Fromme说，“它完全改变了这种化学反应如何发生的观点。”

　　这项实验针对的是漂浮在溶液中的毫米级晶体，但其他研究人员也设法利用LCLS拍摄气体中的单个分子。2015年，他们拍摄了一个环形分子断裂的影片，这是化学和生物化学领域的一种经典反应。由于X光的波长过长，难以直接分辨原子，因此该团队依靠理论模拟将图像锐化为16帧的分子电影。目前，斥资10亿美元的LCLS-II升级工程正在进行，它将能提供波长更短的X光，简言之，更加频繁的脉冲将能够提升影片的时间和空间分辨率。Fromme希望，新一代紧凑XFELs（每个价格低于1500万美元）将能让这种技术对更多科学家开放。

　　终极分子自拍

　　目前，LCLS能量最高的X光的波长是150皮秒，对于分辨单个碳原子或氢原子略微过长。为了进一步放大显示，研究人员可以利用快速移动电子，它拥有更短的波长，因此在一个分子上衍射时，能够提供更佳的空间分辨率。这是冷冻电子显微镜背后的原理，这一技术目前正在结构生物学领域带来革命，在很大程度上是因为它提供了冷冻样本中蛋白的详细结构，而不需要等待它们形成晶体。

　　冷冻电子显微镜提供了很多分子聚集在一起的群集镜头，其他的技术则用电子对单个分子成像。去年，西班牙巴塞罗那光子学研究所所长Jens Biegert带领的团队报告称，利用激光诱导电子衍射（LIED）研究乙炔（C2H2）的单个分子。在这种技术中，一束红外脉冲将分子朝定义的方向排列，然后第二束脉冲将两个电子敲出队列，从而打破乙炔的其中一个碳—氢键。

　　像任何其他形式的光一样，这些激光脉冲也是由振荡的电子和磁场构成的。第二束脉冲的电场会选出其中一个自由电子并将其猛烈地甩回分子。这个电子会在其首次逃逸后9飞秒抵达，其速度快到可以直接通过分裂的分子。在此过程中，它会像波浪在岩石岸边摔碎那样衍射，形成的模式可以用快于1飞秒的快门速度揭示原子的位置。它可能是终极的分子自拍。

　　在分子影片制作的下一阶段，其他研究人员希望，从飞秒转变为阿秒（10-18）的激光脉冲可以产生史无前例的慢动作序列。在那样的快门速度，原子似乎在以缓慢的速度移动，电子的活动也会清晰可见。这将是关键的一步，哥伦比亚俄亥俄州立大学物理学家Louis DiMauro说，因为电子的行为最终控制着分子中原子的活动。

　　大多数研究人员赞同，是时候立即推进示范项目，将这些技术应用到各个学科领域的研究问题中。“如果开发这些工具的人能够说服化学家和材料学家，它将会带来极大的发展。”Biegert说。毕竟，“理解的第一步是用眼看。”