У физиков появилась новая сверхскоростная камера для съемки движущихся молекул: 1 сентября в Гамбурге, Германия, откроется Европейский свободный рентгеновский лазер (XFEL).

Этот инструмент стоимостью 1,2 миллиарда евро излучает мощные рентгеновские импульсы длительностью несколько сотен фемтосекунд (10-13 секунд), продолжительность которых настолько коротка, что, как стробоскопы он может захватывать мгновенные изображения возбужденных молекул, «замороженных во времени». Длина волны рентгеновского излучения от 0,05 до 4,7 нм достаточно мала, чтобы обеспечить изображение с разрешением около одного атома. Европейский XFEL присоединяется к очень маленькому в мире семейству рентгеновских лазеров такого калибра, но он также обладает уникальной мощностью: он может излучать 27 000 импульсов в секунду, частота которых более чем в 200 раз выше, чем у лазера. X самый быстрый на данный момент LCLS Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC), Калифорния. « Это машина, настолько отличающаяся от любой другой на планете, что вы действительно чувствуете, что вы въезжаете на неизвестную территорию» , - говорит Арвен Пирсон, биохимик из исследовательского центра DESY в Гамбурге.

По словам Адриана Манкузо (Adrian Mancuso), исследователя на экспериментальном европейском объекте XFEL в Шенефельде, ученые за одну секунду должны иметь возможность собирать более 3000 рентгеновских снимков хорошего качества по сравнению с примерно 100 с другими устройствами недалеко от Гамбурга. « Сбор большого количества данных очень важен, и европейский XFEL доставит их на грузовиках» , - говорит Аббас Урмазд, физик из университета Висконсина в Милуоки. Ожидается, что инструмент ЕС, финансируемый 12 странами, частично облегчит планирование современных лазеров на свободных электронах в Соединенных Штатах и ​​Японии, которые перегружены учеными, стремящимися получить изображения своих образцов в атомном масштабе. , Еще один лазер на свободных электронах X был введен в эксплуатацию в июне прошлого года в Пхохане, Южная Корея, и ожидается, что прибор начнет работать в 2018 году в Филлигене, Швейцария.

Гамбург XFEL имеет общую длину 3,4 километра. Электронные пучки сначала ускоряются до 17,5 гигаэлектронвольт в туннеле длиной 1,7 километра. Магниты затем отклоняют траекторию движения электронов, чтобы сделать их «слаломом», что приводит к тому, что они излучают рентгеновские лучи высокой энергии, когда они меняют направление. Генерируемая рентгеновская молния в миллион раз интенсивнее, чем обычные рентгеновские источники. Эти импульсы настолько интенсивны, что почти мгновенно разрушают целевые образцы - до тех пор, пока рассеивается достаточное количество фотонов, чтобы раскрыть атомную структуру образца.

Рентгеновское излучение генерируется путем размахивания ускоренных электронов с помощью магнитов ( ниже показан участок одного из инверторов). © Heiner Müller-Elsner / Европейский XFEL .

В экспериментах с использованием обычных источников рентгеновского излучения молекулы должны быть приготовлены в кристаллических формах, чтобы дисперсия фотонов была достаточной для определения их структуры. Но блеск (количество фотонов, генерируемых на данной длине волны) рентгеновских лазеров на свободных электронах настолько высок, что исследователи могут получать дифракционные картины на кристаллах размером всего несколько нанометров или даже на кластерах. некристаллические молекулы. Это означает, что XFEL можно использовать для изучения белков, которые трудно кристаллизовать. Кроме того, исследователи могут снимать ферменты, вирусы, химические реакции или изменения магнитной поляризации живого материала, делая тысячи различных снимков одной и той же системы, снятых в последовательные моменты времени - часто путем прохождения струи молекулы в растворе в рентгеновском пучке.

Например, в 2015 году ученые, использовавшие LCLS, получили восемь снимков миоглобина мышечный белок, который связывает кислород, с разрешением 0,18 нм. Изображения были сделаны через несколько пикосекунд (10-12 секунд) после того, как вспышка света выбила молекулу оксида углерода из ее сайта связывания с белком. В августе прошлого года Аббас Урмазд и его коллеги добились успеха в LCLS в 3D съемка вирусов с разрешением 9 нм , Этот фильм показывает движения вируса, когда он реорганизует свой геном, чтобы генетический материал мог проникнуть в трубчатую молекулярную структуру - процесс, который происходит, когда вирус заражает клетку.

Такая работа требует сбора множества снимков идентичных частиц в разных конформациях для получения составного изображения движения частицы, говорит физик Джон Спенс из Университета Аризоны, Темпе. По его словам, высокая скорость стрельбы европейского XFEL сделает этот процесс намного быстрее, так что структурные данные могут быть собраны для гораздо меньших отдельных частиц. Адриан Манкузо объясняет, что одной из наиболее важных задач европейской установки будет доказательство того, что дифракционные картины действительно могут быть собраны из изолированных частиц с очень высокой эффективностью. « Интенсивный взрыв рентгеновских лучей уничтожает каждую частицу, которую он поражает, поэтому разрушенный образец может помешать следующему выстрелу. Мы не узнаем, пока не попробуем », - говорит он.

Европейский прибор также имеет преимущество перед конкурентами: в отличие от других XFEL, он имеет три отдельных инвертора для создания одновременных рентгеновских лучей, 27000 импульсов в секунду распределяется между этими тремя источниками. Но европейский X-лазер на свободных электронах будет править лишь некоторое время: SLAC начал в этом году проект стоимостью 1 млрд. Долларов, чтобы создать еще более интенсивный рентгеновский лазер, который к началу Следующее десятилетие сможет доставлять до миллиона импульсов в секунду.

Сайт европейского X-лазера на свободных электронах в Гамбурге. На этом изображении электроны ускоряются справа налево.

Похожие