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【导语】在我们难以窥见的微观世界，分子与原子正上演着精彩绝伦的“动作大片”。然而，传统观测手段受限于分辨率与快门时间，难以捕捉原子级的动态瞬间。如今，X射线自由电子激光（XFEL）作为“超级摄像机”，让科学家得以拍摄微观世界的“分子电影”，揭开光合作用、病毒入侵等奥秘。中国上海的硬X射线自由电子激光装置（SHINE）正全力冲刺，未来将助力我们窥见自然更深层的秘密。

出品：

作者：李伊（北京师范大学物理与天文学院）

监制：中国科普博览

在我们看不见的微观世界里，每分每秒都在上演着宇宙最惊心动魄的“动作大片”。分子是身怀绝技的特工，它们精准变形、结合与分离；原子是舞步飞旋的舞者，在万亿分之一秒内完成着生命的协奏；正在光合作用的植物叶片中的分子拆解水分子释放氧气；入侵细胞时，病毒的蛋白质外壳又突然变形“开锁”……

如何把这些在分子世界上演的精彩纷呈的片段记录下来？揭示其中的奥秘呢？

图1: XFEL拍摄概念图

（图片来源：作者由AI生成）

要想看清楚这些飞秒（一千万亿分之一秒）内原(yuán)子(zi)级(jí)的(de)动(dòng)态(tài)过(guò)程(chéng)，就(jiù)要(yào)借(jiè)助(zhù)一(yī)款(kuǎn)“超(chāo)级(jí)摄(shè)像(xiàng)机(jī)”——X射(shè)线(xiàn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)（XFEL）。正(zhèng)是(shì)借(jiè)助(zhù)它(tā)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)得(de)以(yǐ)拍(pāi)摄(shè)微(wēi)观(guān)世(shì)界(jiè)奇(qí)妙(miào)的(de)“分(fēn)子(zi)电影”。

传统方法存在什(shén)么(me)困(kùn)境(jìng)？

想(xiǎng)拍(pāi)摄(shè)一(yī)张(zhāng)清(qīng)晰(xī)的(de)照(zhào)片(piàn)，离(lí)不(bù)开(kāi)高(gāo)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)与(yǔ)合(hé)适(shì)的(de)快(kuài)门(mén)时(shí)间(jiān)。给(gěi)原(yuán)子(zi)“拍(pāi)电(diàn)影(yǐng)”，捕(bǔ)捉(zhuō)它(tā)们(men)在(zài)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)中(zhōng)的(de)瞬(shùn)间(jiān)动(dòng)态(tài)更(gèng)是(shì)如(rú)此(cǐ)。

但(dàn)对(duì)于(yú)传统方法而言，有重重困难横于眼前。想看清楚原子，分辨率需要达到0.1纳米，需选用波长极短的X光。为此，科学家们研究出同步辐射的方法来产生高亮度X光。虽然分辨率达到要求了，但其X光脉冲为皮秒级（一万亿分之一秒），也就是说其快门时间远远大于所要拍摄画面的发生时间，画面会模糊不清。

不仅如此，由于X光高能量的特性，长时间辐射会损坏生物样品。而传统成像需要长时间累积足够的光子才能形成清晰图像，因此在利用X光看清结构之前，生物样品已经被损坏了。也就(jiù)是(shì)说(shuō)，想“看见”就要用X光照射，但在照射完成之前，作为“被拍摄者”的样品已经被摧毁了。这听起来像是(shì)一(yī)个(gè)无(wú)解(jiě)的(de)问(wèn)题(tí)，但(dàn)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)还(hái)是(shì)找(zhǎo)到(dào)了(le)解(jiě)决(jué)方案。

革(gé)命(mìng)性(xìng)的(de)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)——XFEL

X射(shè)线(xiàn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)（XFEL）因(yīn)其(qí)能(néng)产(chǎn)生(shēng)超(chāo)亮(liàng)、超(chāo)短(duǎn)脉(mài)冲(chōng)的(de)X射(shè)线(xiàn)成(chéng)为(wèi)突(tū)破(pò)口(kǒu)，使(shǐ)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)能(néng)够(gòu)“拍(pāi)摄(shè)”到(dào)清(qīng)晰(xī)的(de)原(yuán)子动态瞬间。那自由电子激光是什么呢？

自由电子激光是利用接近光速的高能电子束，通过周期性磁场（波荡器）迫使电子振荡并辐射光波，在自放大自发辐射等机制下，光波与电子束相互作用，被相干放大，最终形成的高强度、高相干性的激光。X射线自由电子激光（XFEL）装置的核心是利用巨大的粒子加速器隧道产生X射线激光的过程。

首先，在直线加速器中将一束电子束加速至接近光速。

随后，高速电子束进入波荡器（由N、S极交替排列的磁铁组成）中，在磁场的作用下，电子被迫进行快速的横向振荡。电子在振荡的过程中辐射X射线，这些辐射出的X射线又会进一步地与前方电子相互作用，迫使其同步振荡产生共振，辐射被强烈地同步放大，即自放大自发辐射。

最终，产生出具有超高亮度、超短脉冲（飞秒甚至阿秒级）、优异相干性的X射线激光束——XFEL。

图2:自由电子激光基本构成

（图片来源：参考文献[1]）

由于XFEL脉冲在飞秒甚至阿秒量级，样品在被X光彻底摧毁之前，就已被成像或探测，这有效规避了传统方法的辐射损伤难题。而且XFEL同时具有高分辨率，即原子尺度0.1 纳米，又有合适的快门时间，即与反应时间相近甚至更短的飞秒甚至阿秒量级。这都使得XFEL成为拍摄原子动态瞬间的理想“摄像机”。

那科学家们又是如何拍摄的呢？这就不得不提到一个重要技术——泵浦-探测。

泵浦-探测的过程就如同导演拍电影一样。泵浦，即“action”，发射信号使反应开始(shǐ)。采用一束超短激光脉冲（例如红外光或可见光）激发样品启动反应。探测，即拍摄，拍摄不同时刻的场景用于串联成电影。在飞秒精度的延时后，发射一束XFEL脉冲通过成像、衍射或光谱分析探测样品状态。改变延时并重复实验，就可以串联成一部原子的“电影”。

现已拍成的“电影”

光合作用中氧气的释放

植物是具(jù)体(tǐ)如(rú)何(hé)”拆解”水分子、制造氧气的？这一光合作用的核心谜题，如今被X射线自由电子激光（XFEL）揭开神秘面纱。科学家们利用XFEL首次捕捉到光系统II（PSII）中水分子逐步”裂变”生成氧气的全过程，获得了从水到氧气的关键中间态结构快照。这代表着维持地球上现有生态系统正常运转的重要化学反应——光合作用的动态细节首次展现于我们眼前。为进一步的人工光合作用，清洁能源制造奠定了坚实(shí)基(jī)础(chǔ)。

病(bìng)毒(dú)入(rù)侵细胞

高中的生物课上，我们了解到病毒通过表面蛋白变形入侵宿主细胞。但其蛋白构象动态变化的具体过程仍(réng)为(wèi)一(yī)团(tuán)迷(mí)雾。科学家们用激光模拟宿主细胞环境（如酸性pH值）触发病毒蛋白，再用XFEL在飞秒尺度上抓拍其构象变化的瞬间。成功解密了病毒是如何入侵细胞的，为后续阻断融合过程的靶向药物的研究提供思路。

中国力量：上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）

给原子拍“电影”怎么能少得了中国？位于上海张江的SHINE（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility）是全球仅有的几台在建的硬X射线自由电子激光装置之一。它的核心是一台8 GeV（80亿电子伏特）的连续波超导直线加速器，总长3.1 km，每秒可产生高达100万次脉冲。将产生0.2 GeV–15 GeV全覆盖（覆盖软X射线到硬X射线）的 X 射线自由电子激光（XFEL），其峰值亮度远超传统同步辐(fú)射(shè)光(guāng)源(yuán)。

根(gēn)据(jù)2025 年(nián)SHINE工(gōng)程(chéng)进(jìn)展(zhǎn)报(bào)告(gào)，截(jié)至(zhì)2025 年(nián)7 月(yuè)全部土建及公用工程交付。关于核心装置，注入器已完成安装与束流调试，成功实(shí)现(xiàn)100 MeV能(néng)量(liàng)输(shū)出(chū)，束(shù)流(liú)性(xìng)能(néng)达(dá)标(biāo)（发(fā)射(shè)度(dù)低(dī)于(yú)0.57 mm mrad）；超(chāo)导(dǎo)直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)部(bù)分(fēn)，已(yǐ)组(zǔ)装(zhuāng)并(bìng)水(shuǐ)平(píng)测(cè)试(shì)16套(tào)1.3 GHz与(yǔ)2 套(tào)3.9 GHz低(dī)温(wēn)模组（CM）；CM01–CM14全面达标，CM15–CM20 正在总装；波荡器部分，硬X射线线（FEL-I）26 mm周期的平面波荡器（U26），已生产30套，4套已入隧道安装，软X射线线（FEL-II）包括55 mm周期波荡器（U55）和双周期U55/75，15套U55完成集成，5套开始安装。关键设备逐步国产化，多种核心部件实现自主研制，批量生产中。

SHINE配备4 套大型低温系统（含3台4kW@2K制冷机），为超导腔提供近绝对零度环境。首台制冷机已支持注入器运行，第二台通过测试，第三台进入试运行。采用欧洲核子中心（CERN）开发的“白兔”时间同步技术，精度达飞秒级（1秒的千万亿分之一）。注入器时序系统已完成调试，主加速器部分正在安装。

预计2026年SHINE实现软X射线（FEL-II）首次出光，2027年实现硬X射线（FEL-I）出光并整体验收。

“SHINE面临低温模块量产合格率、工期紧张等挑战，”项目报告坦言，“但团队正全力冲刺2026年首束光目标。当这台亚洲最亮的X射线光源亮起时，我们将拥有窥见自然最深奥秘的眼睛。”

图 3: SHINE的布局和主要参数

（图片来源：参考文献[6]）

上海光源SHINE作为探索物质动态的国之重器，不仅是中国走在科学前沿的重要一步，还为原子尺度拍摄“分子电影”提供了终极工具。

未来，随着SHINE等装置点亮更短脉宽、更高亮度的相干光，我们或将解开更多微观世界的神秘面纱。

参考文献

[1] 赵振堂and 冯超. X射线自由电子激光. 物理, 47(3):153–160, 2018.

[2] Henry N Chapman, Petra Fromme, Anton Barty, Thomas A White, Richard A Kirian, Andrew Aquila,

Mark S Hunter, Joachim Schulz, Daniel P DePonte, Uwe Weierstall, et al. Femtosecond x-ray protein

nanocrystallography. Nature, 470(7332):73–78, 2011.

[3] 付磊, 何建华, and 曾梦琪. 同步辐射：从发现到科学应用. 科学出版社, 北京, 2022.

[4] Jan Kern, Ruchira Chatterjee, Iris D Young, Franklin D Fuller, Louise Lassalle, Mohamed Ibrahim, Sheraz

Gul, Thomas Fransson, Aaron S Brewster, Roberto Alonso-Mori, et al. Structures of the intermediates of

Kok’s photosynthetic water oxidation clock. Nature, 563(7731):421–425, 2018.

[5] Peter M Kasson, Grigory P´erez-Mej´ıas, Chen Zhang, Nicolas W Hengartner, and Sebastian Doniach.

Influenza hemagglutinin membrane fusion mechanism studied by XFEL. Nature Communications, 8:1458,

2017.

[6] 刘波. SHINE工程进展. 2025年超级陶瓷装置研讨会, 07 2025.

[7] 赵璇and 张文凯. X射线自由电子激光：原理、现状及应用. 现代物理知识, 31(2):14–21, 2019.