自由電子激光

1、X射線自由電子激光X-Ray Free Electron Laser（XFEL）,outline,1.定義 2.原理3.優(yōu)點(diǎn)4.不足5.前景6.實(shí)例,1.定義,自由電子激光是加速器產(chǎn)生的高能自由電子束通過周期性變化的磁場，把相對論電子束的能量轉(zhuǎn)換成相干輻射的激光輸出，有別于傳統(tǒng)的束縛電子的能級躍遷而產(chǎn)生激光。,這種激光的亮度非常高，通過改變電子能量、磁場周期和強(qiáng)度可以改變激光波長。 由于它的工作介質(zhì)是自由電子，因此稱為

2、自由電子激光，這種激光的特點(diǎn)是激光波長和脈沖結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計，并且能夠在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。,晶體的衍射：當(dāng)X光照射到晶體上時，會引起散射。就是光波會激發(fā)原子發(fā)出同樣頻率的波，由于晶體中原子排列的有序性，在特定的方向上，散射的光得到了增強(qiáng)，很容易就探測得到。,2.原理,分子散射：在原子空間排列無序的條件下，出射光子的方向不受限制，因此出射的X射線強(qiáng)度變得非常微弱。,當(dāng)入射X射線的光子具有確定的位相關(guān)系（相干），散射的光子產(chǎn)生的信

3、號就有確定的相位關(guān)系，能夠進(jìn)行振幅疊加，信號放大，就可以探測到,3.優(yōu)點(diǎn),X射線自由電子激光（XFEL）原子分辨率需要X光強(qiáng)度和相干性需要激光,4.不足,分子損傷：極高的強(qiáng)度會使分子完全離解相位問題：探測技術(shù)：需要發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù)：獲得單分子的散射信號,XFEL作用下溶菌酶分子的離解,2fs的脈沖可以得到可靠的結(jié)構(gòu)，5fs以上會有誤差，10fs以上基本不可用。,極快的脈沖提供了研究生物大分子在發(fā)揮功能時結(jié)構(gòu)變化的研究手段；不

4、僅在靜態(tài)，而且在動態(tài)的情況下得到結(jié)構(gòu)，使我們能夠?qū)ι锎蠓肿咏Y(jié)構(gòu)和功能的研究進(jìn)入到一個全新的領(lǐng)域。,5.前景,6.例子,An x-ray laser revealed how this enzyme is bound up and deactivated.,News Flash: X-ray Laser Produces First Protein Structure 30 11 2012 VOL 338 1136 SCIENCE,

5、ParasiteTrypanosomabrucei （錐蟲）,Enzyme：cause African sleeping sickness,De novo protein crystal structure determination from X-ray free-electron laser data 244 | NATURE | VOL 505 | 9 JANUARY 2014,lysozyme crystal structur

6、e,水解致病菌中黏多糖的堿性酶，破壞細(xì)胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之間的β-1,4糖苷鍵,Cry3A toxin：produced by Bacillus thuringiensis（蘇云菌）,naturally crystallized within Bt cells,Protein crystal structure obtained at 2.9 Å resolutionfrom injecting bac