同步辐射技术应用及发展

同步辐射技术应用及发展摘要：同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波，分别有连续和准单色的光谱。真空紫外软X射线、硬X射线和红外线波段是优秀的光，被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。本文叙述了同步辐射的特点、发生的方法及其应用实例，通过介绍其在生命科学、生物医学、高分子结构分析等领域的应用研究，说明同步辐射广泛的应用。关键词：同步辐射，生命科学、生物医学、高分子结构分析1 绪论1947年，美国纽约州通用电气公司实验室的电子同步加速器首次在可见光范围内观察到了强烈的辐射，从此这种辐射被称为“同步辐射。同步辐射是强度高、覆盖频谱范围广、可以任意选择所需波长，而且连续可调，是继激光光源之后的又一种新型光源。同步辐射发现9年后，美国康奈尔大学用真空紫外波段同步辐射对稀有气体的吸收进行了系统研究，并取得了重要成果，从而使人们认识到同步辐射可作为真空紫外波段和X射线光源。直到1974年，美国斯坦福直线加速器中心的研究小组在SPEAR对撞机上用同步辐射开展物理、化学、生物学方面的研究，使同步辐射的应用得到了迅猛的发展。1.1 同步辐射的发现1947年4月16日，在美国纽约州通用电气公司的实验室中正在调试一台新设计的能量为70MeV的电子同步加速器，这台加速器与其他类型的电子加速器的一个重要不同点是它的真空室是透光的，原想这样可方便地观察到真空室里的装置(如电极位置)情况，但竟导致了一个重大发现。就在这一天的调试中一位技工偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”。经仔细分析，说明不是气体放电，而是加速运动的电子所产生的辐射，被称为同步辐射。试验指出，这种辐射光的颜色随电子能量的变化而变化。当电子能量降到40MeV时，光的颜色变为黄色;降到30MeV时，变为红色，且光强变弱;降到20MeV时，就看不到光了。同步辐射的发现在当时科学界引起了轰动，不少科学家着手研究这种辐射的性质。但在当时，这种辐射阻碍了加速粒子能量的进一步提高，使科学家感到头痛，直到同步辐射发现后约20年，科学家才逐步认识到它具有重要的应用价值1。1.2 同步辐射的特性来自加速器弯转磁铁的同步辐射是连续波长的强光，可以从中获取所需的波长。这个光有理想的偏振特性:在轨道平面内是直线偏振光，在轨道面的上、下方分别是左、右椭圆偏振光，可近似地认为是圆振光。如果利用波荡器，可得到比弯转磁铁的同步辐射更亮的、波长可调的准单色光。这类装置被安装在加速器的直线节上，结构为磁场方向交替变化的磁铁排列。当高能电子通过磁铁排列时，受洛伦兹力作用做蛇行运动。波荡器磁极的间隙可调，可以通过改变间隙选择准单色光的波长。从平面型磁铁排列波荡器可得到直线偏振光，从螺旋型磁铁排列的波荡器可以得到椭圆或圆振光。由于高频谐振腔的作用，电子形成了一系列的束团在储存环内回转，因此放出的同步辐射是脉冲光2。经常把同步辐射看作是直流光，也可以把同步辐射作为脉冲光使用，进行时间分辨实验。2 同步辐射光源的发现及发展1895 年 11 月 8 日德国科学家伦琴（Rontgen）发现X射线，开创了科学技术的新纪元。不久，拉莫尔（Larmor，1897），李纳（Lienard，1897）和肖特（Schott，1907）等人出色的工作，奠定了加速运动带电粒子电磁辐射的经典理论基础。他们的研究是在电子发现之后，但大大超前于粒子加速器的发展。粒子加速器的研究开始于 20 世纪 20年代，但发展缓慢。直至四、五十年代，物理学家应用同步加速器产生高能带电粒子，并应用磁场把带电粒子限制在环形轨道内运动。随着环形加速器问世和人类加速带电粒子的能力不断增强，人们再次注意到这种无名辐射和它引起的能量损失。对于基本粒子物理实验所需要的高能量，对撞前带电粒子的速度接近光速。带电粒子加速期间，能量损失的主要原因是电磁辐射，因此，40 年代 同步辐射 被认为是限制加速器达到高能量的主要障碍。纵观当年与之有关的研究论文题目，大有冠以“论感应电子加速器的能量获得极限”之类的标题。还推算出这个极限是 500 MeV。幸好没过多久，苏联和美国加速器物理学家 维克斯列尔（Veksler）及麦克米伦（McMillan）先后独立提出了新的同步加速器原理，突破了这个“限速关”。通用电气实验室建造的那台机器，就是美国人为了检验新原理而建造的3。1944 年布卢伊特（Blewett）试图在电子加速器直接观察 同步辐射 失败，1947 年埃尔德等人 在美国纽约州为美国通用电气公司一台 70 MeV电子同步加速器调试过程中，因为担心发生高频电极间的放电，即俗称的“打火”，安排了一位工人站在屏蔽墙外，用反射镜观察，偶然地看见了同步辐射的亮光。这个亮光总是当电子加速到约 30 MeV 才出现，随着电子能量升高，颜色有规律地由暗红转黄，再变成很亮的蓝白色光点，光点很小，位置稳定。经过一番思考和争论，波拉克等人才恍然大悟，他们看到的就是会造成被加速粒子能量损失的电磁辐射。这个发现当时引起很大的轰动。由此而得名的同步辐射就这样与 20 世纪的物理学家不期而遇。同步辐射是加速器物理学家发现的，但最初它并不受欢迎，因为建造加速器的目的在于使粒子得到更高的能量，而它却把粒子获得的能量以更高的速率辐射掉（电子每绕加速器一圈辐射掉的能量E4，能量越高的电子辐射损失越快），它只作为一种无可避免的现实被加速器物理学家和高能物理学家无奈地接受。但是，固体物理学家对这种辐射相当感兴趣，即使在发现同步辐射的早期，已经有人在构思它在非核物理中可能的重要应用，但真正证实有用还是 10 年以后。20 世纪 50 年代前苏联和美国的科学家都进行了大量实验，并与理论计算进行比较，60 年代初开始了同步辐射应用可行性的研究，很快同步辐射 的应用进入了实用阶段。1956年，坦布里昂（Tamboulian） 与哈特曼（Hartman）对康奈尔（Cornell）大学的 300 MeV 电子同步加速器产生的同步辐射性质进行了研究，如同理论所预期，该加速器发出的同步辐射最丰富的谱范围在真空紫外（VUV）光波段，对光谱及角分布的实验测量结果与理论预期完全吻合，他们还测量了在铍及铝上的吸收谱，测得 Be-K 及 Al-L2，3的不连续谱线。这是同步辐射早期应用的先行性工作之一4。此间，前苏联莫斯科列别杰夫（Lebedev）研究所的250MeV加速器上也开展了类似的先行性工作5-6。3 同步辐射技术的应用简介3.1 同步辐射技术在生命科学中的应用同步辐射在生命科学中的应用涵盖很多方面，包括结构分子生物学、微生物学、药物学、细胞生物学、生物医学等等。从分子水平研究生命科学是目前生命科学研究的热点。利用生物大分子晶体学的方法来解析生物大分子的三维空间结构，并由三维空间结构来研究其功能就是目前生命科学研究的重点方向。在同步辐射装置上也还有许多其他方法或者可以用做生物大分子晶体学方法的补充，或者可以单独进行生物大分子结构与功能的研究，如X 射线小角散射法可以测定低分辨的大分子结构，结合高分辨的晶体学数据就可以得到蛋白质分子的精细结构，而且小角散射法还可以单独用来测定蛋白质分子在溶液状态时的分子外形。而利用EXAFS法，结合晶体学方法测定的分子结构，可以更精确地测定蛋白质中所含金属元素的价态、键长等信息，其键长测定精度可达0.1 以上。其他方面比如软X射线谱学显微技术可以研究自然状态下的细胞结构和功能关系等等。3.1.1 生命科学研究应用方法7应用于生命科学研究的同步辐射实验方法主要是通过构成生命体的物质对X光的散射及吸收等相互作用来进行科学研究。散射有两种类型：一种是特殊的散射，即包括衍射和衍射成像；另一种是一般的散射，包括小角散射、广角散射、漫散射、磁散射、非弹性散射、散射(折射)成像等等。吸收主要包括利用吸收谱、吸收成像以及吸收效应、光致发射等等方法。1）生物大分子晶体学它主要是利用生物大分子晶体对X光的衍射来进行生物大分子的三维结构研究。高亮度的同步辐射X光能够从很小的大分子晶体采集足够的高质量的衍射数据来进行三维结构解析，极大地加强了生物大分子晶体学的研究功能。同时利用同步辐射能量可调的独特优点，发展出来的反常散射法更是大大提高了生物大分子晶体学三维结构解析的成功率。2）X射线吸收精细结构谱学(XAFS)当入射原子上的X光能量高于原子内壳层电子的跃迁能量时，就会有一定几率将原子内壳层电子激发到高能状态，此时内壳层就会有空位，高壳层电子会向下跃迁以降低能量而达到稳定状态，两个壳层能量之差以荧光的形式散出，利用这种光电效应的方法就是X 射线吸收精细结构谱(XAFS)谱学。它是随着同步辐射装置的发展而成熟起来且用途十分广泛的实验技术，是研究物质结构非常重要的方法之一。该技术的主要特点是能够在固态、液态等多种条件下研究原子(或离子)的近邻结构和电子结构。射线吸收精细结构谱学在生命科学中的应用(BioXAS)主要是进行金属蛋白的研究。3）X射线小角散射(SAXS)X射线小角散射是指发生在原光束附近小角度范围内的电子相干散射现象，起源于样品内部电子密度的均方起伏。根据相干散射强度曲线，可获得颗粒的形状信息，其结构尺度为1-1000nm。针对蛋白质结构研究，小角散射实验方法的一个重要优点是可以直接在溶液中测量小角散射谱，以此来得到蛋白质分子或复合物分子的结构信息，将其与晶体学数据相结合可以对晶体结构进行验证、修正及研究蛋白质分子结构中柔性部位的结构等。4）X射线微探针与软X射线谱学显微技术硬X射线微探针主要是利用微聚焦系统，将高亮度的同步辐射X光聚焦成微米光束来进行科学研究。同步辐射上的微束X光斑具有极高的亮度以及很小的光斑尺寸，利用能量可调的单色X 射线微束(2m)，配备先进的探测系统，X 射线微束系统可以在细胞水平上开展微束X射线荧光分析(-XRF)、微束X 射线谱学(-XAFS)以及微束X射线衍射(-XRD)和微束成像实验研究，具备原位分析样品的元素组分、化学特性、物质结构及其二维分布的能力。软X射线谱学显微技术结合了扫描透射X射线显微术(STXM)的几十个纳米的高空间分辨和近边吸收精细结构谱学(NEXAFS)的高化学态分辨能力，与电子显微术、TXM 相比样品辐射损伤相对较小，可以在介观尺度研究固体、液体、软物质(如水凝胶)等多种形态的物质。利用“水窗”波段(波长=23-44)的软X光对水的高穿透性特点，软X射线谱学显微技术可以研究自然状态下的细胞结构和功能关系，以及具有一定活性的生物样品的结构与元素空间分布等。5）X射线成像X射线成像主要是利用生物组织对X射线吸收与透过率的不同来测量生物组织的结构。比较常用的方法包括同轴相衬成像及显微CT等。相衬成像类似于传统的透照术。3.2 同步辐射技术在生物医用领域的应用8-11采用同步辐射红外光源的红外光谱主要用于微小尺寸样品或对样品进行微区分析测试，于是红外光谱成像(Fourier transform infrared imaging，FTIRI)技术应运而生。红外光谱成像技术是在傅里叶变换红外显微镜和步进扫描干涉仪技术的基础上发展起来的微区分析技术9。红外光谱成像技术的发展经历了三个阶段:第一阶段为红外显微镜，或称为红外显微光谱法(Fourier transform infrared microsp-ectroscopy， FTIRM)。它是将光学显微镜配以红外检测器，然后与红外光谱仪联用;或作为红外光谱仪的附件，用来扫描微量物质或微区样品的一个点，得到单点的红外光谱，但不具有扫描样品整个微区的红外图像功能。第二阶段为20世纪80年代发展起来的绘图方式(mapping)，它利用自动显微镜载物台逐点移动样品，逐点测定其红外光谱，然后进行红外图像分析。该技术使用单通道检测器，只能逐点扫描，因此数据采集时间很长，一般需要数小时之久。此外，在数据采集过程中，傅里叶变换红外光谱仪和红外显微镜必须处于稳定的工作状态7。第三阶段为1996年推出的与焦平面阵列(focal plane array，FPA)检测器相关的成像技术，它由焦平面阵列检测器、红外显微镜和步进扫描傅里叶变换红外光谱仪组成。它不再需要移动样品载物台来完成红外光谱的采集，且可对较大面积的样品进行红外图像分析。虽然FPA技术极大地提高了红外成像的速率，但成像的空间分辨率却不如使用单通道检测器的成像技术。3.2.1动物细胞及组织的红外成像1）骨细胞的化学分析图1为荧光显微镜与同步辐射红外成像相结合的谱图，通过计算正常的和卵巢切除后的雌猴组织中磷酸盐和蛋白质的红外特征吸收的比值就能得到骨骼矿化程度，结果表明切除卵巢后骨骼的矿化速度较慢，矿化程度较低。图1 切除卵巢易患骨质疏松雌猴同步辐射红外谱图2）神经细胞恶化分析图2 同步辐射分析神经单元成像图上图是科学家对单个神经单元应用同步辐射红外光谱成像图谱，大致能分析判断神经细胞恶化转变过程。3.2.2 植物细胞及组织的红外成像除了在动物组织及细胞的研究中有较多的应用以外，同步辐射红外成像技术也被应用于表征植物细胞的组成。由于植物的根、茎、叶等组织比较脆弱，较难制备符合测试要求的薄切片，因此对植物组织的研究在数量上远不及动物组织，但是其对植物组成的分类(如区分木质素、纤维素和其他的碳水化合物、蛋白质和脂质)还是可以提供许多的生物化学信息，特别是可以在分子层面获得植物蛋白二级结构的信息，这对于指导植物蛋白品质的保证和植物蛋白消化的预期非常有用。图3显示了植物组织中各种特征结构在化学上的特异性，可以作为我们分析植物组织组成时的一个参考。图3 植物细胞组织同步辐射红外图谱3.3 同步辐射技术在高分子材料结构研究中的应用12相对于传统金属材料和无机材料，高分子材料还很年轻年轻的优势使其可以向其他成熟学科学习高分子物理在理论上借鉴和发展了基于金属建立起来的成核生长和旋结线相分离等理论，采用了物理学中统计力学、重整化群、自洽场等研究方法在实验上，同步辐射和中子源是高分子材料科学发展的一双翅膀，可以说高分子学科实验中的重大突破很多都来自于这两个大科学装置随着高分子材料科学的发展，高分子物理研究正呈现“非”（非平衡态、非均匀性和非线性）、“多”（多组分、多分散、多尺度以及多元相互作用）以及与生物学、纳米科技等学科交叉的特点非平衡态和非线性等特点要求研究手段具备较快的时间分辨；非均匀、多组分等特点则需要有较好的空间分辨；多尺度以及与生物、纳米科技等学科交叉的特点要求研究手段能同时检测材料的不同尺度结构高时间、高空间分辨和多尺度检测的研究方法只能依赖于高亮度的同步辐射光源因此，同步辐射这一大科学装置将是推动高分子学科发展的重要研究手段。3.3.1 同步辐射X射线散射的应用同步辐射射线散射（小角和广角射线散射（SAXS和WAXD）技术是研究材料结构最有效的方法之一。与其他结构检测方法（如电子衍射）相比，X射线散射对样品检测环境的要求较低。因此，它更容易与其他装置联用，从而实时跟踪和研究材料在外场作用下的结构形成和演化行为。例如研究流动场（外场作用力）如何诱导高分子结晶既是高分子物理非平衡热力学最重要的科学问题之一，也是指导高分子材料加工的基础知识。同步辐射射线散射已经并将继续是揭示流动场诱导高分子结晶机理不可替代的重要研究手段。譬如针对流动场诱导原始晶核shish的生成是否需要分子链解缠和无规线团向伸直链（coil-stretch转变这一长期争论的重要科学问题，我们设计研制了一台与同步辐射X射线散射联用的微型伸展流变装置，得到不同拉伸应变和速率下的应力曲线。同时，小角X射线散射检测shish信号与应变相对应，从而获得shish生成所需要的临界应变值。结果显示，分子链解缠结需要的临界应变值通常远大于shish生成所需要的临界应变值，实验上直接回答分子链解缠结不是shish生成的必要条件。由于shish生成的信号在折叠链片晶生成后将消失，因此需要同步辐射X射线散射具有较高的时间分辨同时，shish生成的信号靠近直通光(beamstop)位置，也只有同步辐射实验站提供的空间尺度能满足这一要求3.3.2 同步辐射X射线微焦点衍射技术的应用近年来，随着具有高亮度的第三代同步辐射光源和射线聚焦器件的快速发展，具有几m甚至100nm光斑的同步辐射X射线散射方法被逐步用于高分子领域。该方法通过对微米尺度的区域进行逐点扫描（mapping），即可获得纳米尺度（0.1-100nm）的结构分布图像。与传统X射线光源相比，同步辐射微焦点不仅具有（亚）微米尺度的空间分辨，并且具有较高的时间分辨。图4是在上海光源（SSRF）硬X射线微焦点线站上研究等规聚丙烯球晶生长过程的光学显微镜照片。X射线在水平方向逐点扫描，每点曝光时间仅为4.5S。扫描结束后，由于X射线造成损伤，其扫描痕迹清晰可见（箭头所指），足见上海光源射线的亮度和通量之高，满足了亚微米的空间分辨和亚秒的时间分辨检测需求。图4 X射线扫描后的等规聚丙烯球晶4 结语同步辐射技术已经成为生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。本文主要介绍了同步辐射的发现与发展、特点以及在当前众多领域的应用实例。特别介绍了同步辐射技术在生命科学、生物医学、高分子结构分析的应用。参考文献1 Winick H, Doniach S eds. Synchrotron Radiation Re-searchM. New York(USA):Plenum Press, 1980.2Watanabe M, Isoyama G. New Synchrotron Radia-tion Source. X-ray Spectrometry: Recent Technological Advances (ed. by Tsuji K, Injuk J, Van GriekenR)M. Chic ester(UK): John Wiley &