自由电子激光

1、X X射线自由电子激光射线自由电子激光X-Ray Free Electron LaserX-Ray Free Electron Laser（XFELXFEL）outline1. 1.定义定义 2. 2.原理原理3.3.优优点点4. 4.不足不足5. 5.前景前景6. 6.实例实例1.定义定义自自由电子激光由电子激光是加速器产生的高能自由电子束通过周期性是加速器产生的高能自由电子束通过周期性变化的磁场，把相对论电子束的能量转换成变化的磁场，把相对论电子束的能量转换成相干辐射相干辐射的的激激光光输出，有别于传统的束缚电子的能级跃迁而产生激光输出，有别于传统的束缚电子的能级跃迁而产生激光。这种激光的

2、这种激光的亮度亮度非常非常高高，通过，通过改变改变电子能量、磁场周期和电子能量、磁场周期和强度可以强度可以改变改变激光波长。激光波长。 由于它的工作介质是自由电子，由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节。设计，并且能够在大范围内连续调节。晶体的衍射：当X光照射到晶体上时，会引起散射。就是光波会激发原子发出同样频率的波，由于晶体中原子排列的有序性，在特定的方向上，散射的光得到了增强，很容易就探测得到。2.原理分子散射：在原子空间排列

3、无序的条件下，出射光子的方向不受限制，因此出射的X射线强度变得非常微弱。当入射X射线的光子具有确定的位相关系（相干），散射的光子产生的信号就有确定的相位关系，能够进行振幅叠加，信号放大，就可以探测到X射线自由电子激光（XFEL）原子分辨率需要X光强度和相干性需要激光4.不足分子损伤：极高的强度会使分子完全离解分子损伤：极高的强度会使分子完全离解相位问题：相位问题：探测技术：需要发展探测技术：需要发展实验技术：获得单分子的散射信号实验技术：获得单分子的散射信号XFEL作用下溶菌酶分子的离解作用下溶菌酶分子的离解2fs的脉冲可以得到可靠的结构，的脉冲可以得到可靠的结构，5fs以上会有误差，以上会有

4、误差，10fs以上基本不可用。以上基本不可用。极快的脉冲提供了研究生物大分子在发挥功能极快的脉冲提供了研究生物大分子在发挥功能时结构变化的研究手段；时结构变化的研究手段；不仅在静态，而且在动态的情况下得到结构，不仅在静态，而且在动态的情况下得到结构，使我们能够对生物大分子结构和功能的研究进使我们能够对生物大分子结构和功能的研究进入到一个全新的领域。入到一个全新的领域。5.前景6.例子An x-ray laser revealed how this enzyme is bound up and deactivated.News Flash: X-ray Laser Produces First

5、Protein Structure 30 11 2012 VOL 338 1136 SCIENCEParasiteTrypanosomabrucei （锥虫）Enzyme：cause African sleeping sickness De novo protein crystal structure determination from X-ray free-electron laser data 244 | NATURE | VOL 505 | 9 JANUARY 2014lysozyme crystal structure水解致病菌中黏多糖的碱性酶，破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之间的-1,4糖苷键Cry3A toxin：produced by Bacillus thuringiensis（苏云菌）naturally crystallized within Bt cellsProtein crystal structure obtained at 2.9 resolutionfrom injecting bacterial cell