電影歷史視覺暫留原理（活細胞拍電影多難）

2023-07-14 20:07:31

澎湃新聞首席記者賀梨萍李躍群

一尺之棰，日取其半，萬世不竭。無窮小中，到底蘊藏著什麼？

從先秦百家開始，人類對微觀世界的探索就從未停止。如今，中國的科學家們，正在上海張江「打磨」世界上最先進的光源，希望能夠看清微觀世界裡的勃勃生機——比如在剎那間給活細胞「拍電影」。

要拍電影，得有過硬的硬體：光線、鏡頭、感光器件，缺一不可。

在分子層面的微觀世界「拍電影」，同樣需要這三大要素的配合，不過其在工程學上的追求幾乎要接近極致。以光為例，它不能是日常所見的散射光，必須是超高亮度、相干的光線，而且波長要短到納米級別。1納米，約等於一根頭髮絲的六萬分之一。

6月21日凌晨，裡程碑時刻終於到來：上海軟X射線自由電子雷射裝置在100飛秒（fs，1飛秒=1秒的千萬億分之一）時間內實現了2.4納米單發雷射脈衝的相干衍射成像，這也是中國的第一次。這一相干衍射圖樣體現了活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子雷射裝置整體性能的先進性，標誌著我國在軟X射線自由電子雷射研製和使用方面已步入國際先進行列。

6月22日，為了驗證「分子電影」到底有多寫實，上海的科學家們挑戰圖案的重建——刻在鍍金SiN薄膜上的3微米有手性的螺旋圖案。一束軟X射線自由電子雷射通過120米的管道，打在薄膜上。通過分析和重建衍射數據，他們得到了一個逆時針旋轉的鸚鵡螺圖像——幾乎是原圖的復刻。

標準樣品圓孔、方孔及鸚鵡螺圖案的相干衍射圖樣，上海科技大學供圖。

「我希望大家能夠體會到我們科研工作者能夠打出這麼漂亮的衍射圖樣，那種很開心很美好的感覺」，上海科技大學大科學中心主任、活細胞結構與功能成像等線站工程總經理劉志在發布會現場用雷射筆指著PPT上的圖案激動地說，「我真的希望大家也能夠在這一塊兒體會到我們的快樂。」

漂亮的衍射圖樣的背後，是分毫不差的精益求精。劉志感慨道，我們這120米的傳輸系統，這些鏡子這些光柵這些小孔必須是完美的光學傳輸系統，而且必須在一條線上。這個大科學裝置不是某一個東西比別人強就行了，而是得從加速器到後面的儀器，我相信得有上百萬個零件，都得發揮很高性能。哪怕一個零件出了問題，都可能得不到我們剛才所說的最後那個結果。

得分毫不差到什麼程度？劉志給澎湃新聞記者舉了個例子——自由電子雷射最好的反射鏡子得達到原子級別的平整，1米的鏡面，高低誤差不能超過6納米，「把它放大1000倍，相當於一條長達1千米的柏油路，最高和最低處相差不得超過6微米，也就是頭髮絲直徑的十分之一。」

這臺裝置要完美運行，還需要環境配合。上海科技大學教授、活細胞結構與功能成像等線站工程副經理江懷東對澎湃新聞記者表示，比如地面不能有大的振動，來往的重型車輛都得控制。江懷東笑著說，一般晚上是他們做實驗的黃金時間，因為園區外來往車輛少，動靜小，對實驗裝置的擾動也小。

回憶起夜以繼日的調試過程，劉志表示能在這麼短時間內把它調出來，是很難的一件事情，體現了中科院上海高研院、上海科技大學的團結協作。「即使是調到了我們實驗站，也花了我們好多天的時間把它放進腔體裡，調整這個最後的聚焦性，使得它能夠達到我們所需要的光子密度，才能打出這張照片。」

為了造就這臺微觀世界的拍攝「神器」，科學家們凝聚了5年的心血。2016年11月，上海科技大學、中國科學院上海應用物理研究所、中國科學院上海高等研究院團隊共同建設活細胞結構與功能成像等線站工程。工程含用戶波蕩器束線、活細胞成像束線、生物成像實驗站、活細胞螢光超分辨顯微鏡站、超快物理實驗站、超快化學實驗站、分子動態成像實驗站及實驗輔助設施，預計在2021年內完成驗收。按照計劃，該裝置有望於2022年向世界開放。

目前，活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子雷射裝置成為了國際上僅有的兩個已實現「水窗」波段相干衍射成像實驗的自由電子雷射裝置之一。

「水窗」是指波長在2.3納米到4.4納米範圍的軟X射線波段。在此波段內，水不吸收X射線，對X射線相對透明。但是碳元素等構成生物細胞的重要元素，仍會與X射線相互作用，因而水窗波段的X射線可用於活體生物細胞的顯微成像等，具有重要的科學意義和應用價值。

在水窗波段，自由電子雷射脈衝的峰值亮度比同步輻射高十億倍以上，具備橫向和縱向相干性，不僅能夠為物理、生物、化學等學科提供革命性的研究工具，同時可為在建的上海硬X射線自由電子雷射裝置技術研發提供支撐。

活細胞結構與功能成像等線站工程和軟X射線自由電子雷射用戶裝置由國家發展和改革委員會與上海市政府共同出資建設。作為我國首臺X射線自由電子雷射裝置，上海軟X射線自由電子雷射裝置由活細胞結構與功能成像等線站工程和軟X射線自由電子雷射用戶裝置共同構成，兩個項目同步建設，有機銜接。該裝置將與已建成的上海同步輻射光源、超強超短雷射裝置和在建的硬X射線自由電子雷射裝置等一起，在浦東張江構建具有全球影響力的光子科學設施集群和光子科學研究中心。

劉志表示，這個裝置有著廣泛的科學應用。以生命科學領域為例，軟X射線自由電子雷射裝置（XFEL）的相干衍射成像可以探究細胞的超微結構，而超分辨螢光成像則可以進行功能成像。這兩者結合起來之後，細胞就會呈現出前所未有的細節：「可以把細胞看成一座城市，一個個的細胞器在其中就像是小區，蛋白質是如何穿梭的也能看清。」

中國科學院上海高等研究院上海光源科學中心副主任、軟X射線自由電子雷射用戶裝置項目常務副經理劉波表示，X射線自由電子雷射足夠「快」，可用於活體生物細胞的顯微成像等，具有重要的科學應用價值。他表示，原來我們沒辦法去探知活細胞的真正結構，「以前可以『輻射』活細胞，但一下子就『打』死了，看到的是死細胞狀態，而『水窗』波段的X射線自由電子雷射，雖然也會把細胞『打』死，但捕捉到的是細胞沒死時的狀態，因為它足夠『快』足夠強。」

劉志表示，光的亮度在過去的50年裡增長了10的22次方，這個數量級在中文的表述裡都沒有一個對應的漢字。光源質量的提高也帶來了實驗質量的提高，我們的終極目標是在一瞬間（fs，1飛秒=1秒的千萬億分之一）以原子尺度的精度測量一個體系。