PDF《时间分辨的 X 射线衍射》

第24 卷第4期物理学进展Vol.

24 ,No.

4 2004 年12 月PROGRESS IN PHYSICS Dec. ,2004 文章编号 :1000Ο

0542 (2004) 04Ο 0436Ο

22 收稿日期 : 2004Ο 10Ο

08 基金项目 : 国家自然科学基金(No. 60278030) 和上海市光科技基金(No. 036105028) 资助 通讯地址 :上海 800Ο

211 信箱.E-mail :

3 gaohy @mail. shcnc. ac. cn ,3

3 J - W- chen @yahoo. com 时间分辨的 X 射线衍射 高鸿奕

3 , 陈建文

3 3 , 李儒新 , 谢红兰 , 朱化凤 , 徐至展 (中科院上海光学精密机械研究所 ,上海 201800) 摘要: 详细论述了时间分辨 X 射线衍射探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的各 种方法.介绍了多种超快 X 射线脉冲光源及其在材料和生化领域中的研究进展状况.材料 方面 :在皮秒时间尺度探测到了晶格间距毫埃的微小变化 ;

在亚皮秒的时间尺度直接观测到 晶体的超快熔化过程和晶体内的相干声子散射 ;

生物化学方面 :采用时间分辨 X 射线劳厄衍 射方法探测了蛋白质大分子结构的变化和功能之间的关系 ;

精确描述了有机分子在光作用下 形态发生改变时分子键角的扭转角度 ,从结构上揭示了其动态机理. 关键词 : X 射线 ;

衍射 ;

时间分辨 ;

X 射线衍射 ;

超快过程 中国分类号 :O434.

1 ;

O436.

1 ;

O531 ;

O471.

4 文献标识码 :A

0 引言 在过去的

20 年里 ,可见光波段的超短脉冲的脉宽由几皮秒 (ps ,10 -

12 s) 压缩到了飞 秒(fs ,10 -

15 s) 量级 ,原则上达到了可以探测一些瞬态或超快过程的速度水平 ,例如 :在单 分子、 液体或晶体中的原子运动 ,化学键的断裂与形成、 电荷的转移、 分子的异构化等等. 这些过程大多发生在皮秒或更短的时间尺度 ,只有探测光脉宽比这个时间更短时 ,才有可 能观察这些过程.因此人们提出了用超短脉冲的泵浦Ο 探测方法来研究超快过程[1~4 ] . 先用一个超短光脉冲激活一个瞬态过程 ,再用另一个超短光脉冲作探针在延迟一定的时 间后去测量.这一方法 ,在一定的历史时期发挥了它的特定作用.这就是上世纪末 ,在生 物学领域里被广泛使用的时间分辨光谱法. 然而 ,这些超短光脉冲仍然不能直接探知原子的位置变化 ,因为可见光实际上只对外 层的价电子和自由电子的动态敏感 ,这些电子在许多原子的位置上是不定域的 ,由于不能 和更深层的含有物质结构信息的中心电子层和原子核相互作用 ,因此这些超短光脉冲几 乎不能带回有关物质内部结构的真实信息. 波长与原子间距相当的超短 X 射线脉冲的出现 ,使人们获得了直接观察原子运动状 态的有力工具.X 射线可与原子的中心电子层相互作用 ,在物质中的穿透深度比可见光 大一至数个量级 ,因此能够探知物质深层的结构信息.超短 X 射线脉冲探测动态过程的 方法与光脉冲的泵浦Ο 探测方法相似 ,由于它往往与传统的 X 射线晶体学中的劳厄衍射方 法相结合 ,因此被称为超快 X 射线衍射(Ultrafast XΟ ray Diffraction) 或时间分辨 X 射线衍 射( TimeΟ resolved XΟ ray Diffraction) .在生物化学领域 ,又被称为时间分辨 X 射线结晶学 ( TimeΟ resolved XΟ ray Crystallography) . 时间分辨 X 射线衍射可以直接探测原子的位置.在这种方法中 ,散射振幅与原子位 置间的关系并不像可见光那么复杂 ,两者可以简单地由一个傅立叶变换相联系[5~7 ] . 因 此理论上也可通过计算机模拟来预测.因此 ,它是目前观测生化反应和物理变化过程中 原子瞬间运动状态的最有效方法 ,这一新兴的领域已吸引了众多的物理学家、 化学家和生 物学家来研究.一些发达国家如美国、 日本、 德国、 法国、 意大利、 韩国等在材料科学方面 都已广泛开展了研究 ;