PDF《时间分辨的 X 射线衍射》

近几年 ,研究热点已经悄悄地转向了生物化学领域.在美国、 欧洲 的同步辐射装置上建立了专门的光束线 ,配上飞秒超快激光器开展时间分辨 X 射线衍射 研究 ,用以探测蛋白质大分子的结构变化和其功能的关系.下面就不同应用领域予以介 绍. (1) 时间分辨 X 射线衍射在材料科学上的应用

1997 年,C. Rischel 等人实现了在固体物质中皮秒时间分辨率的实验[8 ] .他们用飞 秒激光激发 Si 靶的 K α线作探针 ,测量了超短激光脉冲作用下 ,有机薄膜从受热到完全蒸 发这一时段内的无序化过程 ;

同年 ,Guo Ting 等人[9 ] 用同种方式探测到了 GaAs 晶体晶格 间距毫埃的变化 ;

1998 年,J . Larsson 等人[10 ] 用第三代同步辐射产生的 X 射线脉冲 ,采用一种截面关 联探测技术 ,将观测的时间分辨率提高到

2 ps ;

1999 年,P. H. Bucksbaum 等人[11 ] 建议通过控制相干声子来控制晶体的布拉格晶格 反射 ,制作一个声子布拉格开关 ,控制同步辐射 X 射线脉冲持续时间.而C. W. Sider 等人[12 ] 用同种方式产生的 X 射线脉冲分别对晶体 GaAs (111) 平面 , Ge (111) 平面 ,生长在 硅基上的 Ge 膜(111) 平面进行衍射 ,探测到了相干声子的产生和传播 ,在一个更高的激 光泵浦能量密度上 ,观测到 Ge 膜的超快熔化过程.同期的还有 A. H. Chin 等人[13 ] 用汤 姆逊散射产生的飞秒 X 射线脉冲对晶体进行超快 X 射线衍射实验 , 观测到延迟的晶格 膨胀的产生及传播 , 并在亚皮秒的时间尺度上直接观测到晶体的超快熔化过程 ;

2000 年,A. M. Lindenberg 等人[14 ] 在皮秒时间分辨率上观测到了在激光泵浦的 InSb 晶体内产生的相干声子的散射 ;

而A. Cavalleri 等人[15 ] 探测到了飞秒激光加热的 Ge 膜中的非谐振的晶格动态过程.

2002 年,J . Larsson 等人[16 ] ,采用皮秒时间分辨率 X 射线衍射技术来研究被皮秒激 光激发的 InSb 晶体的摇摆曲线 ,发现在飞秒激光激发下 ,InSb 晶体中产生的相干声子有 一周期结构 ,从而导致晶体 Bragg 角的偏移 ;

到2004 年,I. V. Tomove 等人[17 ] 采用超快 X 射线衍射和光谱研究了固体和液体中

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4 4 期 高鸿奕等 :时间分辨的 X 射线衍射 的瞬态结构 ,用来探测分子化学键长、 电荷分布以及原子 ,分子变形 ,大分子的光离解过程 等. (2) 时间分辨 X 射线衍射在生物化学方面的应用 在大多数的生物、 化学过程中 ,人们感兴趣的最短时间是一个振动周期 ,通常原子的 一个振动周期为

100 飞秒.飞秒领域研究的最大目标就是通过研究远离热平衡的激发系 统来更好地理解在原子运动尺度上所发生过程的每个状态.人们期望从原子水平跟踪一 个反应过程 ,从一个反应链中描述非稳态和短寿命的中间态 ,从而了解更多物质世界的奥 秘 ,从药品的设计与生产 ,到工业加工的无害化 ,直至生命的起源和进化等等[18 ] . 时间分辨 X 射线衍射在分子生物学方面的研究 ,近年来主要以芝加哥大学生物化学 和分子生物学系教授 K. Moffat 的研究小组[19 ] 为代表.K. Moffat 教授是时间分辨晶体 学的主要提议者 ,美国先进辐射源联盟 (CARS) 的执行董事 ;

此外 ,座落在法国 Glenoble 的欧洲分子生物学实验室( EMBL) 法国分部 ( ESRF) ,凭借着世界上最强的 X 射线源 ,占 据着时间分辨 X 射线衍射实验的主导地位 ,在同步辐射实验装置上专门建造了时间分辨 X 射线衍射束线 ,目前大部分超快生物大分子实验都是在 ESRF 上完成的. 第一个纳秒时间分辨的衍射是