同步輻射打開微觀世界

隨著科學的不斷發展，人類掌握光源的能力也越來越強，同步輻射就是一種現代科技帶來的神奇光源。這種光源與核裂變發光、熱電子發光、熒光粉發光、光電二級管發光不同，制造這種光源的設備極為龐大，通常一座同步輻射光源的占地面積有5～10個足球場大小。同步輻射的光覆蓋頻段極寬——從遠紅外線到硬X射線波段，是人們研究微觀物質世界的一副神奇的 “眼鏡”?？茖W家們利用這副“眼鏡”研究各種重要的蛋白質結構、超導材料的微觀結構、電池材料的微觀結構、蜘蛛絲的微觀結構……

同步輻射光源的發現

同步輻射是一種電磁輻射，更為準確地說，它是一種基于電子相對論效應的輻射發光。同步輻射存在于宇宙空間中，在超新星爆發時，星際帶電云團在磁場的作用下發生旋轉并會產生同步輻射。而在地球上，同步輻射真正用于科學研究是在同步加速器上發現輻射光之后才開始的。

1947年4月24日，美國通用電氣公司的幾位科學家在操作一臺70 MeV同步加速器時，突然發現在真空腔上出現了一道耀眼的淡藍色弧形光。他們意識到這道光是同步輻射，很快就發表了題目為《來自于同步加速器中電子的輻射》的論文，得到了學界的認可。

經過若干年的研究，人們逐漸發現了同步輻射的神奇之處：首先，它具有很寬的光譜，目前沒有任何一種光源能和同步輻射相媲美。太陽光輻射到地面上的波長范圍多數集中在紅外線到可見光區域。而同步輻射的光譜則涵蓋了遠紅外線到硬X射線波段，對應能量從幾毫電子伏到幾萬電子伏。從能量所對應的波長來看，同步輻射對應的尺度范圍從微米級細胞的尺度一直到埃級（1埃=10-10米）原子的尺度。

同步輻射裝置包含幾個重要的組成部分：一是光源，即加速器以及插入件；二是光束線，即利用各種光學部件將同步輻射引入到實驗平臺上的管道；三是實驗站，即實驗平臺，各個實驗站的功能各有特色，一個同步輻射裝置能夠同時進行幾十個實驗。因此，可以說全世界的同步輻射實驗平臺組成了世界上最大、研究課題最廣、研究領域最豐富的多學科實驗室。

推動蛋白質晶體學革命

1964年，英國科學家霍奇金因測定抗惡性貧血的生化化合物的基本結構而榮獲諾貝爾化學獎，開創了蛋白質晶體學。在霍奇金的年代只能利用普通的X光管產生的X射線來解析晶體結構，如果解析復雜的生物大分子晶體則耗時極長。胰島素是治療糖尿病的關鍵藥物，但利用X光管來解析晶體結構耗時很長，1969年，在霍奇金獲得諾貝爾獎5年后，他才著手研究胰島素晶體結構。但幸運的是，一年之后（1970年）德國漢堡的科學家完成了同步輻射在生物樣品中的衍射研究，在同步輻射的幫助下，霍奇金很快解析出了胰島素的三級晶體結構。

稱同步輻射為諾貝爾獎的搖籃一點也不為過。1988年，德國科學家約翰·戴森霍費爾等人利用同步輻射測定細菌光合反應中心膜蛋白的晶體結構，最終獲得諾貝爾獎。英國科學家約翰·沃克利用英國本土的同步輻射光源，解析出三磷酸腺苷膜蛋白的結構，因而獲得1997年的諾貝爾獎。進入21世紀之后，科學界對同步輻射光源的利用更加普遍，在大“眼鏡”的輔助下，2003年、2006年、2009年的諾貝爾化學獎均花落蛋白質晶體學領域。該領域最近的獲獎者則是美國科學家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·克比爾卡，他們在2012年因G蛋白偶聯受體研究獲獎。

為什么蛋白質晶體研究必須要利用同步輻射呢？原來對于蛋白質晶體研究來說，長時間輻照會導致蛋白質死亡，無法獲得其結構。但同步輻射比普通X射線光源強度高，能夠在蛋白質死亡前獲得晶體衍射數據，從而獲知蛋白質的結構。目前，在著名的蛋白質數據庫中已經有8萬余條珍貴信息，其中大多數晶體結構都是靠同步輻射裝置解析得到的。

在中國，同步輻射裝置在蛋白質前沿研究方面也有貢獻，如饒子和院士對SARS病毒結構的解析，清華大學施一公教授的基因組改造技術等。隨著同步輻射光亮度、準直性的大幅度提高，未來會有越來越多的蛋白質結構被解析，而這種解析對于設計藥物有著至關重要的指導作用。

古生物學家的隱形手術刀

在人類出現之前，地球上已經存在著豐富多姿的生命形態，古生物學的目標就是解開這些遙遠時空中的生命之謎。2006年，我國古生物學家陳均遠教授利用同步輻射的微區斷層掃描成像方法，對貴州甕安挖掘出來的前寒武紀具極葉結構的胚胎化石進行了三維無損傷研究，研究結果令世界震驚。這次研究不僅證明了生命演化史上較為復雜的兩側對稱動物在距今5.8億年的甕安動物群時代就已存在，而且表明它們在那個時候就開始分化，證實了達爾文進化論的猜想。在此之前，研究人員利用掃描電鏡等手段對化石進行研究，但是由于掃描電鏡對樣品的穿透深度有限，通常需要將化石切成極薄的片狀物才可以觀察，這樣勢必導致化石被破壞，會遺漏重要的生物信息。同步輻射斷層掃描成像的最大優點就在于無損探測。這就相當于醫生不需要開刀，通過CT技術就能判斷患者體內是否有病癥。同步輻射斷層掃描方法的空間分辨率更高，是醫用CT的1000倍，可以看到更細微的結構。另外，同步輻射光源具有極高的亮度，能夠達到更好的成像襯度，將極其細小的物質結構展現給我們。

法國夏朗德附近曾發現過大量白堊紀中期的動物化石，總共356種化石中都夾雜完全不透明的琥珀，而這種不透明的包裹物是一個很大的研究障礙。2008年，古生物學家利用同步輻射的相位襯度微區造影術，立刻將這些像石頭一樣的、深黑色琥珀所包裹的內部物質展現出來了，科學家們對這356種動物化石中的640塊琥珀進行了造影，發現有蒼蠅、螞蟻、蜘蛛、螨等。同步輻射解決了古生物學家頭疼了若干年的大難題，也為人類進一步了解古生物的秘密提供了一把隱形手術刀。

助力高壓學，創造超級材料

高壓技術能使材料呈現更多獨特的電學、磁學、力學性能。從20世紀90年代以來，同步輻射在高壓學科中發揮著極其重要的作用。美籍華人毛河光院士在美國芝加哥的先進光源上建立了高壓合作團隊，利用多種同步輻射方法，研究了多種材料在高壓條件下的奇異性質，開創了利用同步輻射實驗方法研究高壓材料的先河，引起世界矚目。

為什么要用同步輻射方法來研究高壓下的材料結構？這是因為高壓研究的樣品尺寸在幾十微米量級，只有將X射線聚焦到這樣的尺寸才能進行研究。同步輻射亮度高，聚焦到極小的尺寸，光密度也很高，能夠更精確地展現材料的結構，從而預測新材料合成的條件。高壓學科有一個亟待突破的領域，即利用高壓技術壓縮氫氣生成金屬氫，這一研究的突破被人們認為很有可能獲得諾貝爾獎。

探尋環境中的重金屬

目前，環境污染中的重金屬污染尤為嚴重，重金屬具有富集性，很難在環境中降解。重金屬在人體內能和蛋白質及各種酶發生強烈的相互作用，使它們失去活性，對人體會造成很大的危害。

汞是對環境及生物有嚴重危害的重金屬元素之一。我國是汞生產、消費和排放大國，近年來，中科院高能所依托同步輻射裝置研究了汞的形態，揭示了利用硒除汞的機理。我國科學家陳同斌曾發現過一種能夠富集砷的植物，叫蜈蚣草。他和合作者利用北京同步輻射裝置的X射線吸收譜學方法，發現了這種草富集砷的分布情況，解決了砷污染土壤植物修復問題。這一植物修復工程在云南和廣西都開展了相關的產業化示范工作。國際上有科學家利用同步輻射研究稻米等農作物，結果發現有些污染物（如汞、砷）都富集在稻米的外層，而稻米內層則富含極具營養的鐵和鈣。稻米上的重金屬污染研究正是利用了同步輻射的X射線微區熒光掃描法，在微米尺度上揭示了重金屬污染的分布情況。這一發現對于人們辨別稻米質量、降低攝入性中毒的幾率都具有極其重要的意義。

在環境學科里，同步輻射方法的應用尚處于探索時期，但筆者堅信，會有越來越多的環境問題需要同步輻射這個“火眼金睛”幫忙，最終找到解決污染的辦法。

【責任編輯】張小萌