探测蛋白质微晶的3D结构

原子级分辨率：该设施是专门设计来帮助科学家们研究那些不超过1微米的生物分子和单个粒子的。

European XFEL（或称EuXFEL）——目前世界上最大的X射线自由电子激光器[1]——于2017年5月制造出了第一束激光脉冲。该设施建于德国汉堡附近一条长达3.4公里的隧道内，于去年9月正式投入使用。2018年8月，第一篇基于利用它进行的实验撰写的科学论文[2]发表，这是该设施的另一个里程碑式事件。在这篇论文中，作者们使用它来探测蛋白质微晶的3D结构。

当该设施达到全面运行状态时，肯定会产出更多的研究成果。已经有来自20个国家的500多名研究人员访问了该设施，以研究晶体材料、生物分子、病毒的结构和化学反应。目前有2个实验站可供科学界使用，但到2019年，该设施将有6个提供来自3个X射线激光器的脉冲的实验站。当前设计里的冷却要求限制了它每秒发送不超过27,000个脉冲，但研究人员设想使其能发送连续的脉冲流。

在EuXFEL中，电子首先通过一个直线加速器，该加速器安装在一条2.1公里长的隧道中，并装有超导腔。无线电波在这些超导腔内产生交替的正负电场。电子被汇集成束，在电场为正时进入每个空腔。注入第一腔的电子得到加速后进入第二腔。每个新腔都能为电子提供能量。

能量高达17.5千兆电子伏特（GeV）的电子从加速器中射出，并被注入三个由一系列永磁体组成的所谓的振荡器中。磁体具有交替变换的极性，这会迫使电子在穿过磁体两极之间的间隙时沿着弯曲的正弦曲线路径行进。每当一个电子从其路径偏离时，它就会发出辐射。然后，在每个磁体处产生的X射线波向前传播，并与来自所有其他磁体的波结合，产生相干的、针样尖细的脉冲束。

超导腔允许加速器一次加速多达27,000束电子，这些电子束在波荡器中产生相同数量的X射线脉冲，并产生极高分辨率的光束。由于如此快速地产生如此多的脉冲，研究人员可以实时跟踪化学反应和分子间的相互作用。

EuXFEL常务董事Robert Feidenhans'l说：“高重复率是我们的优势。”EuXFEL为每个实验产生的数据比任何其他X射线自由电子激光器（比如位于斯坦福大学的美国能源部的直线加速器相干光源LCLS[3]）产生的都多。这使得EuXFEL更适用于做小而复杂的生物结构（如蛋白质）的研究。

例如，当被X射线脉冲轰击时，分子可以形成衍射图案，但是脉冲会破坏分子。因此，为了研究分子的结构，科学家们必须通过将新的、未受损的分子嵌入穿过X射线路径的液体流中，不断地向脉冲提供新的、未受损的分子。

欧洲、澳大利亚和美国的研究人员使用了这种方法，他们在8月份发表了关于蛋白质的这第一篇论文。他们将尿素酶（存在于植物种子和动物组织中的一种酶）和在刀豆中发现的另外两种蛋白质混合到液体中，并将其喷射到激光的路径上。脉冲不断撞击新的微晶，并收集其中许多微晶的衍射图案，使研究人员得以重建刀豆蛋白质的晶体结构。

这种方法还可以让科学家们创造出“分子电影”——通过记录单个原子的运动来展示原子在化学反应中的行为，或者让科学家们可以去研究液体射流中存在的病毒的行为。

罗格斯大学的物理学家、这篇微晶论文的共同作者Claudiu Stan说，EuXFEL的高重复率也加快了实验速度，并允许更多的研究人员使用该设施。LCLS每秒发送120个脉冲，脉冲之间的间隔是8毫秒。而EuXFEL每秒可以产生100万个脉冲，尽管它在快速爆发时每秒发送的脉冲不能超过27,000个。在这些爆发期间，脉冲之间的间隔是222纳秒。

自由电子激光科学中心（位于汉堡）的研究者Anton Barty于2017年9月在EuXFEL领导了第一个实验。该实验为利用该设备所进行的研究所产出的第二篇论文[4]提供了数据。“从加速器到探测器，涉及到如此多的新技术，以至于我们认为会有地方出问题。然而令人惊讶的是，我们从第一周起就得到了可公布的结果。”他回忆说。

除探索蛋白质结构外，EuXFEL还将帮助研究人员研究极端条件下物质的结构，以及物质暴露于极强磁场时的表现。Feidenhans’l说：“在这些条件下研究超导和电子材料，将是非常有趣的。”

LCLS-II

位于斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的LCLS是世界上第一台产生X射线脉冲的激光器。LCLS于2012年上线，每秒发送120个脉冲，在2017年，European XFEL问世之前，它是同类型中最强大的设备。不过，到2020年，European XFEL又会被LCLS的继任者LCLS-II超越LCLS-II的能力有望开启化学反应、生物化学、材料科学和固态物理研究的新纪元。

了解一下LCLS-II：

每秒产生100万个脉冲

产生的X射线激光束的亮度是LCLS的10,000倍

将可调谐光子能量范围扩展到25千电子伏特

预计将于2020年下半年开始首次投入使用