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上海市长今天讲到的软X射线、活细胞成像平台,是什么科研利器?

创新之城 2020-01-15 16:25
来源:上观新闻 作者:俞陶然
由于成像时间精度达到飞秒级,X射线自由电子激光拍摄到的并非生物分子“照片”,而是“视频”。

上海市第十五届人民代表大会第三次会议今天上午开幕,应勇市长代表上海市人民政府作政府工作报告。在具有全球影响力的科技创新中心建设方面,报告提出,加快组建国家实验室,建成并开放软X射线、活细胞成像平台等大科学设施。软X射线、活细胞成像平台的科学原理是什么?有哪些应用领域?解放日报·上观新闻记者第一时间做了采访。

张江大科学设施群管理机制形成

1月10日—11日在北京召开的2020年全国科技工作会议上,科技部党组书记、部长王志刚表示,今年的一项重点工作是优化创新基地布局,打造国家实验室引领的战略科技力量。根据《国家科技创新基地优化整合方案》,科技部正在推进以国家实验室为引领的国家创新基地统筹规划与系统布局,按照“科学与工程研究、技术创新与成果转化、基础支撑与条件保障”3类进行优化整合与布局建设。

2017年9月在上海揭牌以来,张江实验室持续聚焦生命科学、光子科学与微纳电子、类脑智能等重点领域,开展重大科研任务布局和攻关,为承接国家实验室建设任务夯实了基础。

科研人员在上海光源线站工作。海沙尔 摄

张江实验室位于浦东张江科学城,毗邻上海科技大学,在研究方向、科研条件、人才团队方面可高度融合、有效互补,还可与复旦大学、上海交通大学、中科院上海药物研究所等一流高校院所开展紧密合作。张江综合性国家科学中心的大科学设施群,是张江实验室发展的基石。上海光源、蛋白质设施、超强超短激光装置……在这片全国基础科技研究高地上,集聚了一批以光子科学设施为主的大科学设施群。它们向全国科研人员开放,物理、化学、生命科学、材料、能源等众多领域的研究者都可申请使用这些设施,开展国际前沿研究。目前,已初步形成由实验室统一管理张江地区光子大科学设施群的组织运行机制,一批领军人才加快集聚,在神经退行疾病、硅光工艺、类脑芯片等领域取得了一批原创成果。

用激光为活体细胞拍“分子视频”

软X射线自由电子激光装置是光子大科学设施群成员之一,去年实现级联HGHG模式的出光放大。记者从张江实验室获悉,这个装置的设备安装工作正在进行,计划今年调试成功并向用户开放。

这个装置毗邻上海光源,与后者的鹦鹉螺造型不同,它是一个狭长型建筑,加速器长200多米,建筑总长500米左右,好似一柄光剑。它发出的X射线自由电子激光有何威力?中科院上海高等研究院专家介绍,上海光源是第三代同步辐射光源,而X 射线自由电子激光属于第四代先进光源,其峰值亮度比第三代同步辐射光源高9—10个量级(即10的9—10次方);成像时间尺度可达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一),比第三代同步辐射光高3个数量级;而且相干性更好,属于相干的X射线光源。

上海光源和软X射线自由电子激光装置示意图

据介绍,上海软X射线自由电子激光装置是我国第一台X射线相干光源,科研团队攻克了一系列技术难题,终于实现出光。它有两个重要波段:“水窗”(波长2.3—4.4纳米)和未来有望拓展至的“磁窗”(波长1—2纳米)。在“水窗”波段,水中的氧基本透明,生命物质的主要元素——碳却有很强的吸收。利用这个波段的软X射线,可以在很好的对比度下观测活体细胞和生物样品,实现生物学家的梦想:对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像。而且,由于成像时间精度达到飞秒级,X射线自由电子激光拍摄到的并非生物分子“照片”,而是“视频”。

软X射线自由电子激光用户装置建成后,将为众多科学研究平台提供性能优异的相干X射线光源,包含“活细胞结构与功能成像等线站”工程项目。这个项目由上海科技大学和中国科学院上海应用物理研究所承建,以活细胞成像为主要创新点,涵盖生物、物理、化学多学科领域,整合目前在生物学研究领域应用最成功的两大技术——荧光超分辨光学显微成像、X射线自由电子激光显微成像,建设用户波荡器、活细胞成像光学束线、生物成像、超快物理、超快化学、分子动态等多个实验站及其辅助系统。

上海软X射线自由电子激光装置和上海光源(胡蔚成 摄)

上海科技大学物质学院副院长刘志教授说,“活细胞结构与功能成像等线站”已基本完成设备安装,正在进行设备调试。建成后,它将与上海软X 射线自由电子激光用户装置一起,作为全面开放的综合性大型科研用户公共平台,吸引国内外一流科学团队在此开展研究,推动张江成为具有全球影响力的光子科学中心。

栏目主编:黄海华 文字编辑:俞陶然 题图来源:海沙尔 摄 图片编辑:曹立媛

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