超高速成像技术为研究人员提供了观察原子世界的最佳视角。

Mark Peplow

图片由Thomas Porostocky提供

分子和原子在空间中跳动、旋转，似乎在严肃地跳着舞蹈，它们不断扭曲，直到某个分子链断开，而另一段恰巧“咔哒”卡入到位。

这些具有想象力的画面在大多数化学家脑海中都上演过，还被化学家亲切地称为“使化学反应可视化的方法”。来自于德国汉堡马克斯普朗克物质结构和动力学研究所、加拿大多伦多大学的物理化学家Dwayne Miller说：“为了想象出原子的实时移动过程，整个化学学科几乎都采用这种统一的思维方式，这可是整个化学界的梦。”

从提出分子结构理论至今，化学家使用这种想象的方法已经超过了150年。如今，这些想象将要变为现实。研究人员们使用一系列的技术，在实验室里为分子“导演电影”。

“分子电影”计划

这些“电影”里的“明星们”通常拥有“混合型人格”，数以亿计的分子“明星们”完全相同，在微小晶体中列队整齐，通过一幅全体合影展现这种“人格魅力”。然而，研究人员们逐渐开始关注单个分子。单个分子服从量子力学，而不是经典力学。经典力学是用于规定块状材料特性的统计规律，因此完全独立地想象分子的运动或许能够揭露它们的“生活照”，而不仅仅是一幅“集体照”。

随着全世界的研究团队开发出捕获单一分子运动的新方法，他们正在探索这些技术从不同视角观测分子的能力，他们发现，其中一些技术能够在空间中更精确地扫描原子，而另一些能够在极其短暂的时间内捕捉到分子。

在这场“电影”中，大部分“照明场景”使用极短暂的光脉冲或者电脉冲。其中一些依赖于扫描隧道显微镜（STMs）对原子的精确扫描，而另一些使用高能X射线脉冲来显示它们的结构。

研究人员的目标是记录数皮秒或数飞秒内发生的情景。在如此短的时间内，原子仅仅移动了数皮米（一个氢原子的直径大约为100 pm）。在这种分辨率下，研究人员们能够直接观测到一个分子扭曲的慢动作、原子键振动和断裂，乃至电子的来回运动。随着这些技术的日益普及，其应用前景非常广阔。这些技术可以帮助制造更好的催化剂，为人工光合作用或通过控制分子的量子特性进行计算和通信提供新方法。

“分子电影的想法提供了庞大的想象空间，”美国俄亥俄州立大学的物理学家Louis DiMauro说，“这好比一部动作片与伍迪艾伦的电影之间的不同。”他同时声称，这些方法为展现化学过程的细节提供了无限可能。“这些技术的结合才是拍摄分子‘电影’的正确方式。”

“灯光，摄像，开拍！”

分子摄影的历史可以追溯到20世纪80年代，当时的科学家提出了分子快照拍摄方法。这种先进的技术被称为抽运光谱学，使用持续仅仅数飞秒的激光脉冲来触发一个化学反应（见图“微观世界”）。瞬间后，第二个飞秒脉冲到达并与标本中的分子发生中期反应。这改变了探测器探测到光并且拍摄成一张分子“照片”的方法。通过一次又一次的重复实验，改变两个脉冲之间的延迟，研究人员们能够构建一本翻页动画书，来展示化学变化的每一个阶段。

“微观世界”（由NATURE的Nik Spencer供图）

这项技术通过飞秒化学的方式，展现了化学反应的内部是如何运行的，揭示了单个分子变换成另一种分子时的短暂的中间物的特性，而这在以往从未有过。但飞秒化学中使用的激光波长比原子之间的间距长，因此它不能直接得出原子在分子中的位置。

为了获得单个原子的清晰图像，科学家们长期依赖于X射线晶体学或电子衍射，研究光子或电子是如何穿过分子发生散射的。同时，类似于扫描隧道显微镜以及原子力显微镜的仪器，能够提供内容更丰富的图像，甚至包含单个分子及其周围的电子云。但这些技术通常需要数毫秒或者更久的时间才能获取到一幅图像，这对于观察原子的往返运动来说太慢了。

因此在过去的几年里，分子“电影”的制作者已经将飞秒化学、衍射和原子成像等多项技术结合在一起，创造出一种混合技术工具集合，能够提供最详尽的微观世界，同时结合时间和空间分辨率，展现出原子和分子在自然条件下的形态。

去年，德国雷根斯堡大学的研究人员们使用激光脉冲显著地提升了扫描隧道显微镜的快门速度。研究人员们通过在扫描隧道显微镜的尖端触发太赫兹（THz）辐射进行快速拍照，产生能恰好区分出显微镜尖端和目标分子并五苯之间的电压差，让电子创造“通道”从分子中穿出。这条“通道”在太赫兹脉冲的每一个周期内打开，留给扫描隧道显微镜大约100 fs的快门时间。在这极短的时间内，足以拍下一幅记录并五苯电子轨道的定格图像。

当并五苯失去了电子，其分子会被猛地拉向表面并上下摆动。研究人员们通过使用不同时间间隔、频率更高的太赫兹脉冲首次观察到这种振动。研究团队的领导者之一、物理学家Jascha Repp说“没有其他办法可以观察到单个分子的振荡。”

尽管这个实验本质上是一个概念证明，Repp仍然认为他的团队能够将太赫兹扫描隧道显微镜的时间分辨率缩短到10 fs，展现更快的过程：分子吸收光子后，电子穿过分子滑行的过程；或者氢离子在不同位置来回跃动的互变异构现象，这个现象影响了众多生物分子间的反应。“这可能带来变革，” DiMauro说，“让你能够在一个平面上观察原子特异性的反应。”

Repp和瑞士苏黎士IBM研究院的物理学家Leo Gross都希望把原子力显微镜也应用进去。

“大片”制造器

不锈钢真空室及真空管集群是扫描隧道显微镜和原子力显微镜的卖点，适用于小型实验室。相对来说，在制作分子“电影”的独立工作室中，众多研究人员更容易接触到这些技术。

与小规模设备截然不同的是“好莱坞大片级”的设施——价值4.14亿美元的直线性连续加速器光源（LCLS），由位于美国加州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室制造。这个巨型X射线自由电子激光器（XFEL）能够产生明亮的相干光脉冲，拍摄出令人惊叹的蛋白质结构。该设备的实验时间分配一直供不应求。

去年，一个国际研究团队宣称，他们利用LCLS的X射线脉冲首次直接观察到一个光敏性生物分子的快速动态。该团队的目标是一种被称为光敏黄蛋白（PYP）的感光物质。它在某些细菌中是光合作用的一部分，核心是含有不能自由扭转的强碳-碳双键的光吸收区域。双键另一端的大体积部分通常指向相反的方向——被称为“反式”。但是该团队使用一个蓝光脉冲短暂地切断了其中一个碳-碳键，使得该双键的大体积部分扭转成为“顺式”结构，指向相同的方向（参见图“激发光”）。这种 “反式-顺式”的同分异构现象经常在生物系统中出现，比如在观察化学反应的过程中。

“激发光”（图片由美国威斯康星大学密尔沃基分校的Marius Schmidt用生物X射线自由电子激光器拍摄）

该团队采用一串40 fs长的X射线脉冲进行初始激光轰击，产生了显示原子位置的衍射图样。将这些衍射图样制作成“电影”后发现，激光激发光敏黄蛋白后约550 fs，同分异构现象发生了。“这是一个巨大的惊喜，因为它不只存在于一瞬间，” 研究团队的成员之一、美国亚利桑那大学的生物化学家Petra Fromme说，“这彻底改变了我们对这种反应的看法。”

这个实验的目的是在微米尺度观察溶解状态的晶体流动，而其他研究人员已经使用LCLS拍摄气体中的分子运动。2015年，他们制作了一部环形分子断裂打开的“电影”，这是化学和生物化学中一个经典的反应（参见图“开放日”）。X射线的波长太长，无法直接拍摄到原子，因此研究团队依靠理论计算将图像分解成16帧的分子“电影”。 目前，价值10亿美元的新设备LCLS-II正在建设中，并且预计能够提供更短波长的X射线，即更快的脉冲频率，并进一步提高“电影”的时间和空间分辨率。

开放日：根据X射线自由电子激光器（XFEL）的测量得出的动画，在飞秒尺度上展示了一个环形分子是如何断裂打开的。

（图片由斯坦福直线加速器中心提供）

Fromme还希望生产新一代的小型X射线自由电子激光器，预计每台花费低于1500万美金，这能够让更多的科学家使用到这些激光器。她正在和两个合作者共同致力于研究两台原型设备，并且声称明年就能完成第一台——被称为AXSIS，这台设备将被放置在德国汉堡的德国电子加速中心（DESY）。这些台式激光器能够提供仅数阿秒短的X射线脉冲，这意味着脉冲将不会破坏目标分子。

小型X射线自由电子激光器发出的阿秒X射线脉冲含有的光子数量不足，无法获得每个分子的清晰图像，这如同在弱光下拍照。目前，研究人员们正在讨论一种新思路，将源自小型激光器的X射线或电子束或者二者一起输入到SLAC这类大型设备中，以此得到更加明亮的图像。如果这种方法确实能够让XFEL单分子成像，Fromme将使用这种“新相机”来观察最基本的自然现象：光子被生物分子吸收并形成激发态的瞬间。“没有人能看到这个过程有多快。”她说道。

分子“自拍照”

目前，LCLS中能量最高的X射线的波长为150 pm，这对于分辨单个碳原子或氢原子来说略长。为了拥有更高的空间分辨率，研究人员需使用运动更快的电子。

虽然冷冻电子显微镜能够一次拍摄多个分子，但是其他技术还是使用电子为单个分子成像。去年，西班牙巴塞罗那光子科学研究所的Jens Biegert领导的研究团队提出，利用激光激发电子衍射技术（LIED）来研究乙炔的单个分子。在这项技术中，红外脉冲从一个特定的方向照射分子，然后第二束脉冲将分子中的两个电子打出去，破坏乙炔分子中的碳氢共价键。

就像其他形式的光一样，这些激光脉冲是由振荡的电场与磁场形成的。第二个脉冲的电场吸引一个自由电子并将它发射回分子中。电子第一次逃逸后大约经过9 fs返回，并快速穿过分裂的分子。正因为如此，电子的衍射就像波浪打碎海岸边的岩石，在小于1 fs的快门时间中即可“定格”原子位置。这或许是原子“自拍照”的终极版。

每当这个过程发生时，电子会在略微不同的方向上发生衍射，因此Biegert的团队不得不一遍遍地进行实验，收集足够的数据来构建乙炔残片与导致乙炔变成残片的氢离子的清晰图像。每次实验都能够对一个来自气体的新分子成像，在大约重复十亿次后，该团队已经制作了几帧能够显示共价键断裂的分子“电影”。这个团队希望尽快增加帧数，以分析更复杂的分子。

Biegert说，通过LIED技术对每个分子的其中一个电子成像，可以避免传统电子衍射的关键性问题。传统电子衍射使用“电子枪”向整体的分子样本上发射电子束。这些电子在飞行过程中彼此排斥，因此增加了脉冲的长度，并难以将快门速度设定在10 fs以下。

在分子“电影”制作的下一阶段，其他研究人员希望从飞秒激光脉冲过渡到阿秒激光脉冲后，能够产生前所未有的慢动作序列。在那样的快门速度下，原子将以极其缓慢的速度移动，电子的运动也会变得清晰。DiMauro声称，这将是至关重要的一步，因为电子的行为最终会控制分子中原子的运动。 “我们已经开发出用于观察‘原子演员’的优秀技术，”他说，“但是要想看到真正的‘电影’，我们依旧需要观察电子的运动。”

大多数参与实验的研究人员们也同意，是时候从研究示范阶段发展到技术应用阶段，以此来研究各个领域的问题。

“如果这些超高速成像设备的研究人员能够说服化学家和材料学家，这将真正推动化学与生物化学的蓬勃发展。”Biegert说。毕竟，“‘眼见为实’是理解的前提”。

来源： http://www.nature.com/news/the-next-big-hit-in-molecule-hollywood-1.21887

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