强烈的X射线脉冲照射向蔗糖簇（红色、白色和灰色球体分别代表氧原子、碳原子和氢原子）后的散射效果：发射出了电子（蓝色球体）、产生了结构变形。
长期以来，科学家们一直希望能够在原子分辨率下观察单个自由形态分子的结构。其中一种可行的方法是用极短的高强度X射线自由电子激光（XFEL）脉冲照射样品材料。然而，这种超快成像技术对样品有破坏作用。
美国能源部阿贡国家实验室（ANL@DOE）的研究人员近日通过结合实验结果与计算机模拟数据，深入了解了XFEL脉冲与样品的相互作用。ANL原子分子光学物理研究人员认为，时间是影响实验结果的重要参数，但它常常被忽略掉了。
在原子尺度上检测3D结构有助于研究人员更好地了解病毒，进而提高药物的输运效率。目前，这类型的分析需要使用晶体形式的样品。然而，很多类型的生物系统无法良好结晶，或者其结构因结晶而发生了改变，从而使研究人员无法观察到粒子的自然状态。要在非结晶态下创建散射模式，需要像XFEL那样的超强光束，以惊人的速度发射。
论文作者、ANL物理学家Phay Ho说：“对于这种实验，你需要很强烈的脉冲才能满足要求，但是它也会迅速地摧毁样品。我们的方法是使用短脉冲，并在样品被破坏之前收集所有的散射信号。”
在这场“赛跑”中，时间是以飞秒为单位衡量的。为了研究不同参数对XFEL实验结果的影响，跨学科研究团队使用Linac相干光源（LCLS）研究了单个纳米蔗糖簇。论文作者、ANL研究员Linda Young说：“在储存环型光源中观察到的晶体，例如ANL的先进光子源（APS），通常只能达到10微米级别，而我们在这个项目中观察到的结构分辨率达到了纳米级。”
随后，研究人员将实验数据与从阿贡“领袖”计算设施（ALCF）的超级计算机Mira获得的计算结果（包含大约4200万个粒子与XFEL脉冲的相互作用情况）进行了比较。结果表明，XFEL脉冲作用于蔗糖簇的时间越短越好。为了增强成像结果，有的科学家可能会使用200飞秒的脉冲，但是效果并不好。
Ho解释说：“使用长时间的脉冲，实际上会大幅降低信号。成像脉冲只需要持续几飞秒就足矣。光子的数量很重要，单位时间内光子的数量更加重要。”研究人员表示，计算机建模将帮助他们优化未来的实验，以找到产生最佳结果的参数。
原创编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 责编：张梦
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://www.anl.gov/article/a-step-ahead-in-the-race-toward-ultrafast-imaging-of-single-particles
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/dnl-asa040820.php
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