X射線技術的發展史

X射線技術的發展史

2016-01-02 18:45:05  高能物理研究所
本文作者:佚名

發表時間:2016-01-02 18:45:05作者:佚名來源:高能物理研究所字體大小:A+  A-
 
X射線的發現是19世紀末20世紀初物理學的三大發現(X射線1896年、放射線1896年、電子1897年)之一,這一發現標志著現代物理學的產生。X射線的發現為諸多科學領域提供了一種行之有效的研究手段。X射線的發現和研究,對20世紀以來的物理學以至整個科學技術的發展產生了巨大而深遠的影響。
失之交臂 1836年,英國科學家邁克爾.法拉第(Michael Faraday,1791-1867)(左圖)發現,在稀薄氣體中放電時會產生一種絢麗的輝光。后來,物理學家把這種輝光稱為“陰極射線”,因為它是由陰極發出的。1861年,英國科學家威廉.克魯克斯(William Crookes,1832-1919)(右圖)發現通電的陰極射線管在放電時會產生亮光,于是就把它拍下來,可是顯影后發現整張干版上什么也沒照上,一片模糊。他以為干版舊了,又用新干版連續照了三次,依然如此。克魯克斯的實驗室非常簡陋,他認為是干版有毛病,退給了廠家。他也曾發現抽屜里保存在暗盒里的膠卷莫名其妙地感光報廢了,他找到膠片廠商,指斥其產品低劣。一個偉大的發現與他失之交臂,直到倫琴發現了X光,克魯克斯才恍然大悟。在倫琴發現X光的五年前,美國科學家古德斯柏德在實驗室里偶然洗出了一張X射線的透視底片。但他歸因于照片的沖洗藥水或沖洗技術,便把這一“偶然”棄之于垃圾堆中。
發現X射線 1895年10月,德國實驗物理學家倫琴(Wilhelm Konrad Rontgen,1854~1923)(左圖)也發現了干板底片“跑光”現象,他決心查個水落石出。倫琴吃住在實驗室,一連做了7個星期的秘密實驗。11月8日,倫琴用克魯克斯陰極射線管做實驗,他用黑紙把管嚴密地包起來,只留下一條窄縫。他發現電流通過時,兩米開外一個涂了亞鉑氰化鋇的小屏發出明亮的熒光。如果用厚書、2-3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間,仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進行實驗,實驗結果表明它們也是“透明的”,銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過,只要它們不太厚。使倫琴更為驚訝的是,當他把手放在紙屏前時,紙屏上留下了手骨的陰影。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線,它具有特別強的穿透力。倫琴用這種射線拍攝了他夫人的手的照片,顯示出手的骨骼結構。(右圖)1895年12月28日,倫琴向德國維爾茲堡物理和醫學學會遞交了第一篇研究通訊《一種新射線——初步報告》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線(數學上經常使用的未知數符號X),因為他當時無法確定這一新射線的本質。倫琴的這一發現立即引起了強烈的反響:1896年1月4日柏林物理學會成立50周年紀念展覽會上展出X射線照片。1月5日維也納《新聞報》搶先作了報道;1月6日倫敦《每日紀事》向全世界發布消息,宣告發現X射線。這些宣傳,轟動了當時國際學術界,倫琴的論文在3個月之內就印刷了5次,立即被譯成英、法、意、俄等國文字。X射線作為世紀之交的三大發現之一,引起了學術界極大的研究熱情。此后,倫琴發表了《論一種新型的射線》、《關于X射線的進一步觀察》等一系列研究論文。1901年諾貝爾獎第一次頒發,倫琴就由于發現X射線而獲得了這一年的物理學獎[1]。倫琴發現X射線使X射線研究迅速升溫,幾乎所有的歐洲實驗室都立即用X射線管來進行試驗和拍照。幾個星期之后,X射線已開始被醫學家利用。醫生應用X射線準確地顯示了人體的骨骼,這是物理學的新發現在醫學中最迅速的應用。隨后,創立了用X射線檢查食道、腸道和胃的方法,受檢查者吞服一種造影劑(如硫酸鋇),再經X射線照射,便可顯示出病變部位的情景。以后又發明了用于檢查人體內臟其他一些部位的造影劑。X射線診斷儀在相當一個時期內一直作為醫院中最重要的診斷儀器。為紀念倫琴對物理學的貢獻,后人也稱X射線為倫琴射線,并以倫琴的名字作為X射線等的照射量單位。
偏振性及標識X射線 自倫琴發現X射線后,許多物理學家都在積極地研究和探索。1897年,法國物理學家塞格納克(G.M.M.Sagnac,1869-1926)發現X射線還有一種效應引人注目,當它照射到物質上時會產生二次輻射,這種二次輻射是漫反射,比入射的X射線更容易吸收。這一發現為以后研究X射線的性質作了準備。1906年英國物理學家巴克拉(Charles Glover Barkla,1877-1944)(左圖)在塞格納克的基礎上做實驗,他將X射線管發出的X射線以45°角輻照在散射物A上(右圖),從A發出的二次輻射又以45°角投向散射物B,再從垂直于二次輻射的各個方向觀察三次輻射,發現強度有很大變化,沿著既垂直于入射射線又垂直于二次輻射的方向強度最弱。由此巴克拉得出了X射線具有偏振性的結論。根據X射線的偏振性,人們開始認識到X射線和普通光是類似的。偏振性的發現對認識X射線的本質雖然前進了一大步,但還不足以判定X射線是波還是粒子,因為粒子也能解釋這一現象,只要假設這種粒子具有旋轉性就可以了。1907-1908年,一場關于X射線是波還是粒子的爭論在巴克拉和英國物理學家亨利.布拉格(William Henry Bragg,1862-l942)(右圖)之間展開。亨利.布拉格根據γ射線能使原子電離,在電場和磁場中不受偏轉以及穿透力極強等事實,主張γ射線是由中性偶——電子和正電荷組成。他認為X射線也一樣,并由此解釋了已知的各種X射線現象。巴克拉堅持X射線的波動性。兩人在科學期刊上展開了辯論,雙方都有一些實驗事實支持。這場爭論雖然沒有得出明確結論,但還是給科學界留下了深刻印象。巴克拉關于X射線的偏振實驗和波動性觀點可以說是后來勞厄發現X射線衍射的前奏。X-Ray-Spectra.gif (4247 字節)巴克拉最重要的貢獻是發現了元素發出的X射線輻射都具有和該元素有關的特征譜線(也叫標識譜線)。巴克拉在實驗中發現,不管元素已化合成什么化合物,它們總是發射一種硬度的X射線,當原子量增大時,標識X射線的穿透本領會隨著增大。這說明X射線具有標識特定元素的特性。1909年,巴克拉和他的學生沙德勒(C.A.Sadler)在進一步的實驗中發現,標識譜線其實并不均勻,它可以再分為硬的成分和軟的成分。他們把硬的成分稱為K線,把軟的成分稱為L線。每種元素都有其特定的K線和L線。這些譜線的吸收率與發射元素的原子量之間近似有線性關系,卻跟普通光譜不同,不呈周期性。X射線標識譜線對建立原子結構理論極為重要。巴克拉由于發現標識X射線在1917年獲得了諾貝爾物理學獎[4]。
晶體X射線衍射 當時,X射線究竟是微小的質點束,還是像光一樣的波狀輻射,一直懸而未決。有一種鑒定方法就是看X射線能否借助含有一系列細線的衍射光柵而衍射(即改變射線方向)。要想得到適當的衍射,這些細線的間距必須大致與輻射線的波長大小相等。當時最密的人工衍射光柵,適用于一般光線。由X射線的穿透力得知,若X射線像波一樣,則其波長要短得多——可能只有可見光波長的千分之一。制作如此精細的光柵完全是不可能的。德國物理學家勞厄(Max von Laue,1879-1960)(左圖)想到,如果人工做不出這樣的光柵,自然界中的晶體也許能行。晶體是一種幾何形狀整齊的固體,而在固體平面之間有特定的角度,并且有特定的對稱性。這種規律是構成晶體結構的原子有次序地排列的結果。一層原子和另一層原子之間的距離大約是X射線波長的大小。如果這樣,晶體應能使X射線衍射。勞厄的老板,物理學家阿諾德.索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)(左圖)認為這一想法荒誕不經,勸說他不要在這上面浪費時間。但到了1912年,兩個學生證實了勞厄的預言。他們把一束X光射向硫化鋅晶體,在感光版上捕捉到了散射現象,即后來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之后,他們發現了圓形排列的亮點和暗點—衍射圖(右圖)。勞厄證明了X光具有波的性質。《自然》雜志把這一發現稱為“我們時代最偉大、意義最深遠的發現”。勞厄證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性,發表了《X射線的干涉現象》一文。兩年后,也就是1914年,這一發現為勞厄贏得了諾貝爾物理學獎[2]。 勞厄發現X射線衍射有兩個重大意義。它表明了X射線是一種波,對X射線的認識邁出了關鍵的一步, 這樣科學家就可以確定它們的波長,并制作儀器對不同的波長加以分辨(與可見光一樣,X射線具有不同的波長)。另一方面,這一發現在第二個領域結出了更為豐碩的成果,第一次對晶體的空間點陣假說作出了實驗驗證,使晶體物理學發生了質的飛躍。一旦獲得了波長一定的光束,研究人員就能利用X光來研究晶體光柵的空間排列:X射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的首枚探測器。這一發現繼佩蘭(Perrin)的布朗運動實驗之后,又一次向科學界提供證據,證明原子的真實性。此后,X射線學在理論和實驗方法上飛速發展,形成了一門內容極其豐富、應用極其廣泛的綜合學科。
晶體結構分析 勞厄的文章發表不久,引起了英國布拉格父子的關注,當時老布拉格,即亨利.布拉格(William Henry Bragg 1862-1942)(右圖)已是利茲大學的物理學教授,而小布拉格,即勞倫斯·布拉格(William Lawrence Bragg,1890-1971)(左圖)剛從劍橋大學畢業,在卡文迪許實驗室工作。由于都是X射線微粒論者,兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片,但他們的嘗試未能取得成功。小布拉格經過反復研究,成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式,清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成,并提出著名的布拉格公式:2dsinθ=nλ。這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性,更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關于晶體結構的信息。1912年11月,小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格于1913年1月設計出第一臺X射線光譜儀(右圖),并利用這臺儀器,發現了特征X射線。小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結構之后,與其父親合作,成功地測定出了金剛石的晶體結構,并用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結論。這對尚處于新生階段的X射線晶體學來說非常重要,充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結構的有效性,使其開始為物理學家和化學家普遍接受。布拉格父子因在用X射線研究晶體結構方面所作出的杰出貢獻分享了1915年的諾貝爾物理學獎[3]。
熱陰極管 X光管分為充氣管和真空管兩類。1895年 倫琴發現X射線時使用的是克魯克斯發明的陰極射線管——即最早的充氣X射線管,但因其功率小、壽命短、控制困難,應用不便。當時為了得到清晰的X光照片,甚至需要曝光一個小時以上。1912-1913年,美國科學家威廉.考林杰(William David Coolidge, 1873-1975)(左圖)發明了熱陰極管——即真空X射線管(右圖)。它可提供可靠的電子束,改善線質和穿透性,避免了含氣管的不穩定性。其陰極為直熱式螺旋鎢絲,陽極為銅塊端面鑲嵌的金屬靶,管內真空度不低于10-4帕。陰極發射出的電子經數萬至數十萬伏高壓加速后撞擊靶面產生X射線,大大縮短了需要曝光的時間,為促進X射線的研究起了很大作用,還為發現肺病出了很大貢獻。熱陰極管以后又經過許多改進,至今仍在應用。
X射線光譜 1914年,英國物理學家莫塞萊(Henry Moseley,1887-1915)(左圖)用布拉格X射線光譜儀研究不同元素的X射線,取得了重大成果。莫塞萊發現,以不同元素作為產生X射線的靶時,所產生的特征X射線的波長不同。他把各種元素按所產生的特征X射線的波長排列后,發現其次序與元素周期表中的次序一致,他稱這個次序為原子序數,認為元素性質是其原子序數的周期函數。原子序數把各種元素基本上按原子量遞增的順序排列成一個系列,可是卻比按原子量遞增排列得到更合理的順序。關于原子序數的發現被稱為莫塞萊定律。瑞典物理學家卡爾.西格班(Karl Manne Georg Siegbahn,1886-1978)(右圖)繼承和發展了莫塞萊的研究,他改進了真空泵的設計,他設計的X射線管,可使曝光時間大大縮短,從而使他的測量精度大為提高。因此他能夠對X射線譜系作出精確的分析。他測量波長的精確度比莫塞萊提高了1000倍。西格班的研究支持了玻爾等人把原子中電子按殼層排列的觀點。他和他的同事還從各種元素的標識X輻射整理出系統的規律,對原子的電子殼層的能量和輻射條件建立了完整的知識,同時也為與之有關的現象作出量子理論解釋建立了堅實的經驗基礎。西格班在他的《倫琴射線譜學》一書中對這方面的成果作了全面總結,成為一部經典的科學著作。西格班獲得了1924年的諾貝爾物理學獎,成為繼巴克拉之后,又一次因X射線學的貢獻而獲諾貝爾物理學獎的物理學家[5]。西格班的X射線譜儀測量精度非常之高,以至30年后還在許多方面得到應用。有意思的是:卡爾.西格班的兒子凱.西格班在57年后的1981年,由于在電子能譜學方面的開創性工作獲得了諾貝爾物理學獎的一半。X射線光電子譜 凱.西格班(Kai Manne Borje Siegbahn,1918- )(左圖)一直從事核能譜的研究。20世紀50年代,他和同事們用雙聚焦磁式能譜儀研究放射性能譜。當時,往往會因為回旋加速器的原因不得不停下來等待放射性樣品。能否用一種更容易掌握的代用品來激發放射性輻射呢?凱.西格班設想用X射線管使材料發出光電子,然后再盡可能精確地測量其結合能。這種辦法曾有人作過嘗試,但靈敏度不高。凱.西格班將他在核能譜方面的經驗用于外光電效應,并將高分辨率儀器用于實驗,在這個領域獲得了重大改進。他們將新研制的測量X射線光電子能量的雙聚焦高分辨率電子能譜儀用于研究電子、光子或其它粒子轟擊原子體系后發射出來的電子,系統地研究了各種元素的電子結合能。后來他們又將此項技術用于化學分析的電子能譜。凱.西格班開創了一種新的分析方法—X射線光電子能譜學XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy),或化學分析電子能譜學ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。X射線光電子能譜學是化學上研究電子結構和高分子結構、鏈結構分析的有力工具,西格班開創的光電子能譜學為探測物質結構提供了非常精確的方法。由于凱.西格班在電子能譜學方面的開創性工作,他獲得了1981年諾貝爾物理學獎的一半[18]。
多晶體衍射 1916年,美籍荷蘭物理學家、化學家德拜(Peter Joseph Wilhelm Debye,1884-1966)(左圖)和瑞士物理學家謝樂(Paul Scherrer,1890-1969)發展了用X射線研究晶體結構的方法,采用粉末狀的晶體代替較難制備的大塊晶體。粉末狀晶體樣品經X射線照射后在照相底片上可得到同心圓環的衍射圖樣(德拜-謝樂環)(右圖),可用于鑒定樣品的成分,測定晶體結構。因當時正值第一次世界大戰,信息交流受阻,1917年,美國科學家Hull也獨立提出了這一方法。德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測定分子結構的成就而獲1936年諾貝爾化學獎[7]。
散射 美國物理學家康普頓(Arthur Holy Compton,1892~1962)在大學生時期就跟隨其兄卡爾·康普頓開始X射線的研究。后來他到了卡文迪什實驗室,主要從事g射線的實驗研究。他用精湛的實驗技術精確測定了γ射線的波長,并確定γ射線在散射后波長會變得更長。但他沒能從理論上解釋這個實驗事實。他到了美國華盛頓大學后,用X射線進行實驗,檢驗用γ射線做的散射實驗結果。他發現,晶體反射的單色X射線也能激發同樣的現象,還發現這種X輻射具有偏振性。經過多次精細實驗,康普頓得到了明確的結論,散射的波長比入射的波長更長,波長的改變量只決定于散射角。(左圖為康普頓在X射線光譜儀前工作)1923年5月,康普頓用愛因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過石墨時所發生的散射。他假設光子與電子在碰撞過程中既要遵守能量守恒又要遵守動量守恒,他按照這個思路列出方程后求出了散射前后的波長差,結果跟實驗數據完全符合,這樣就證實了他的假設。這種現象被稱為康普頓效應。康普頓進一步證實了愛因斯坦的光子理論,揭示出光的二象性本質,從而導致了近代量子物理學的誕生和發展;另一方面康普頓效應也闡明了電磁輻射與物質相互作用的基本規律,從理論和實驗上都具有極其深遠的意義。康普頓于1927年與英國的物理學家威爾遜同獲諾貝爾物理學獎[6]。
宇宙X射線源 所有的恒星包括太陽在內,都在不斷地發射各種波長的電磁波,不僅有可見光而且還有人類肉眼看不見的X射線、伽瑪射線等。由于X射線很容易被地球的大氣層吸收,要探測來自宇宙空間的X射線,就必須把探測器放入太空中。二次世界大戰結束后,美國繳獲的德國V2火箭為美國研究宇宙X射線提供了可能。1949年由美國海軍天文臺弗里德曼(Herbert Friedman,1916-2000)(右圖)領導的一個小組把蓋革計數器放在V2火箭上發射升空,首次發現了來自太陽的X射線。但這樣的儀器很難探測到來自更遠恒星的X射線。美國科學家賈科尼(Riccardo Giacconi, 1931-)(左圖)1960年提出了建造X射線望遠鏡的可能性。1962年賈科尼的研究組發現了第一個太陽系外的X射線源,命名為天蝎座X-1。不久又發現了另外兩個X射線源,其中一個被證實為是蟹狀星云。蟹狀星云輻射的X射線能量比太陽高出100億倍。由于火箭觀測時間短,氣球觀測受升空高度限制只能測到能量較高的X射線,賈科尼在1963年建議用人造衛星進行X射線的巡天觀測。1970年10月12日,賈科尼等設計的這樣一顆人造衛星UHURU號升空(右圖)。之后,又有9顆新的X射線人造衛星升空。到1972年,發現的X射線源迅速增加到339個,賈科尼等發表了大量的研究成果。1978年,賈科尼領導研制的高能天體物理觀測臺2號HEAO-2(High Energy Astronomy Observatory-2)發射升空,后更名為"愛因斯坦X射線觀測臺"(Einstein Gallery)(左圖),這是世界上第一個宇宙X射線探測器。它攜帶有角分辨率為2角秒的X射線望遠鏡,首次提供了精確的宇宙X射線圖像,第一個探測到了太陽系以外的X射線源,第一個證實了宇宙中存在X射線輻射背景,第一個探測到了可能來自黑洞的X射線。在此基礎上科學家獲得了大量新發現。
1976年,賈科尼設計了一臺新的X射線望遠鏡。由于經費問題它直到1999年才發射升空,升空后更名為"錢德拉X射線觀測臺"(Chandra X-ray Observatory)。它功能強大總耗資15億美元,對探測星系、類星體和恒星以及尋找黑洞、暗物質的蹤跡有著非常重要的意義。賈科尼在“發現宇宙X射線源”方面取得的成就導致了X射線天文學的誕生,在光學波段之外又開辟了一個認識宇宙的窗口,使人們看到了一個布滿X射線源的天空。賈科尼與在宇宙中微子探測方面作出杰出貢獻的美國科學家戴維斯(Raymond Davis Jr., 1914-)以及日本科學家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba, 1926-)共同分享了2002年度諾貝爾物理學獎[23]。
產生X射線的方式主要有以下四種:X射線管、激光等離子體、同步輻射和X射線激光。X射線管 X射線管是利用高速電子撞擊金屬靶面產生X射線的電子器件,分為充氣管和真空管兩類。x-ray-tube.gif (7536 字節)1895年倫琴發現X射線時使用的克魯克斯管就是最早的充氣X射線管。1913年考林杰發明的真空X射線管的最大特點是鎢燈絲加熱到白熾狀態以提供管電流所需的電子,調節燈絲的加熱溫度就可以控制管電流,可提高影像質量。1913年發明了在陽極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管,在控制柵上施加脈沖調制,以控制X射線的輸出和調整定時重復曝光,部分地消除了散射線,提高了影像的質量。1914年制成了鎢酸鎘熒光屏,開始了X射線透視的應用。1923年發明了雙焦點X射線管,X射線管的功率可達幾千瓦,矩形焦點的邊長僅為幾毫米,X射線影像質量大大提高。同時,造影劑的逐漸應用,使X射線的診斷范圍也不斷擴大。X射線管還廣泛用于零件的無損檢測,物質結構分析、光譜分析等方面。2002年,美國北卡羅來納大學的華裔科學家盧健平等人為X射線源找到了新的方法。這種方法用碳納米管制成“場發射陰極射線管”來發射高能電子,無須利用高溫產生高能電子束,便能產生X射線。在室溫條件下,一薄層碳納米管就能產生高能電子束,一接通電源即可發射X射線,沒有金屬絲的預熱過程。
激光等離子體光源激光等離子體光屬于價格便宜、易于操作的光源,可以用于X射線顯微術,象電子掃描顯微鏡一樣作為實驗室的常規分析工具。其基本原理是:當高強度(1014~1015 W/cm2)激光脈沖聚焦打在固體靶上時,靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體,進而發射X射線。它是一種具有足夠輻射強度的獨立點光源,所用泵浦激光器主要有Nd:YAG,釹玻璃和KrF等。X射線發射與靶材料有關,由于濺射殘屑可能損傷和污染光學系統和樣品,若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問題。因此,需要進一步研究開發有效的、高重復頻率工作的、不產生殘屑的激光等離子體X射線光源。
同步輻射光源 速度接近光速的帶電粒子在磁場中作圓周運動時,會沿著偏轉軌道切線方向發射連續譜的電磁波(左圖)。1947年人類在電子同步加速器上首次觀測到這種電磁波,并稱其為同步輻射,后來又稱為同步輻射光。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的,后來成為一種從紅外到硬X射線范圍內有著廣泛應用的高性能光源。同步輻射光源是開展凝聚態物理、材料科學、生命科學、資源環境及微電子技術等多學科交叉前沿研究的重要平臺。(右圖為擁有近70條光束線的美國阿貢實驗室同步輻射光源)同步輻射光源的主體是電子儲存環,30多年來已經歷了三代的發展。第一代同步輻射光源的電子儲存環是為高能物理實驗而設計的,只是“寄生”地利用從偏轉磁鐵引出的同步輻射光,故又稱“兼用光源”;第二代同步輻射光源的電子儲存環則是專門為使用同步輻射光而設計的,主要從偏轉磁鐵引出同步輻射光;第三代同步輻射光源的電子儲存環對電子束發射度和大量使用插入件進行了優化設計,使電子束發射度比第二代小得多,同步輻射光的亮度大大提高,如加入波蕩器等插入件可引出高亮度、部分相干的準單色光。同步輻射光具有頻譜寬且連續可調(具有從遠紅外、可見光、紫外直到X射線范圍內的連續光譜)、亮度高(第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上億倍)、高準直度、高偏振性、高純凈性、窄脈沖、精確度高以及高穩定性、高通量、微束徑、準相干等獨特的性能。(左圖為設計有30個光引出口的英國DIAMOND同步輻射光源)世界上有近40臺同步輻射光源正在運行,還有幾十臺在設計、建造中。我國的北京同步輻射裝置(BSRF)、合肥中國科技大學同步輻射裝置(NSRL)和臺灣新竹的同步輻射裝置(SRRC)分別屬于第一、第二和第三代光源,正在建造的上海光源(SSRF)屬第三代光源。   (上左:BSRF平面圖;上右:NSRL束線分布圖)srrc-accel.jpg (27249 字節)(上左:SSRF平面圖;上右:SRRC平面圖)左圖為建在BSRF的我國大陸第一條中能X射線雙晶單色器光束線,該光束線用于中等能區X射線范圍(1.2keV-6.0keV)的計量學、探測器標定、光學元件性能測試及吸收譜學等方面的研究,具有重要的科學意義。右圖為北京同步輻射裝置4W1A光束線形貌學實驗站上能量為24keV的X射線拍攝的肝樣品圖像。
X射線激光 正因為X射線的應用越來越廣泛,科學家著重研究增加X射線的強度。世界上第一個紅寶石激光1960年問世以來,在X射線波段實現激光輻射就一直是激光研究的重要目標。X射線激光除了具有普通激光方向性強、發散度小的特點外,其單光子能量比傳統的光學激光高上千倍,具有極強的穿透力。1981年,美國在地下核試驗中進行核泵浦X射線激光實驗獲得成功,極大地推動了開展實驗室X射線激光的研究。水窗的飽和X射線激光是目前唯一能夠對生物活體細胞進行無損傷三維全息成像和顯微成像的光源,借助于它有可能解開生命之謎。美、英、日、法、德、俄羅斯和中國等國的許多著名實驗室都相繼作了部署。1994年,美國利弗莫爾實驗室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦釔靶,產生了波長15.5納米的飽和X射線激光。1996年底,中國旅英青年學者張杰領導的聯合研究組,在英國盧瑟福實驗室利用多路激光器轟擊釤靶,在泵浦能量僅為150焦的情況下,成功地獲得了波長為7.3納米的X射線激光飽和增益輸出,為在“水窗”波段實現增益飽和輸出的X射線激光帶來了巨大的希望。X射線自由電子激光 自由電子激光是一種以相對論優質電子束為工作媒介、在周期磁場中以受激輻射方式放大短波電磁輻射的強相干光源(其“周期磁場”由波蕩器產生),具有波長范圍大、波長易調節、亮度高、相干性好、脈沖可超短等突出優點,尤其是高增益短波長自由電子激光,普遍被看好是下一代光源的代表,具有巨大的發展潛力和重大的應用前景。(左圖為德國DESY自由電子激光器的波蕩器)目前,全世界有20多個能產生從紅外線到紫外線各種波長激光的自由電子激光器已經投入使用或正在研制中。現在科學家正試圖讓其波長范圍延伸到X射線。X射線自由電子激光能產生波長可調的,極高強度的飛秒相干光,可為各種體系的高空間分辨和時間分辨的動力學研究提供強有力的手段,將給物理、化學、材料科學、地質、生命科學和醫學等多個學科的前沿研究帶來突破,為人類對自然的認識打開全新的視野。利用它可對活細胞進行無損傷立體成像,直接觀察細胞中的生命過程,為揭開生命之謎提供重要的工具。lcls.gif (10205 字節)利用它進行顯微和光刻,可以大幅度地提高分辨率和精度。同時,也將對軍事與工業的發展帶來深遠的影響。發展X射線自由電子激光具有前瞻性及戰略意義。世界各科技強國均將X射線自由電子激光的研究列入了未來科技發展計劃的重要內容,正在加緊研制的X射線自由電子激光器的能量將是現有設備的100億倍。美國斯坦福直線加速器中心將于2009年率先推出“直線加速器相干光源(LCLS)”(右圖),這個項目預算為3.79億美元。位于漢堡的德國電子同步回旋加速器研究中心已研制出先進的紫外線自由電子激光器,并計劃到2012年時推出歐洲的X射線自由電子激光器,預計成本為9.08億歐元。日本也在開展類似的項目。如何用盡可能小的輸入能量在盡可能短的波長上產生高增益X射線激光是當今各科技大國在該領域競爭的主要焦點。楊振寧先生從1997年5月開始先后8次給我國有關部門和有關領導寫信,呼吁中國盡快開展X射線自由電子激光的預研究,我國政府和科學界對此給予了高度關注。高能所曾在1994年研制成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置,在亞洲第一個實現了飽和出光(左圖為北京自由電子激光裝置)。自2000年起,在中國科學院、科技部、國家自然科學基金委的先后支持下,上海應用物理所、高能所和中國科技大學以及北京大學已聯合開展深紫外自由電子激光的前期和預制研究工作。這些部署對于發展X射線自由電子激光仍過于薄弱,我國要跨越發展到X射線自由電子激光,還存在很多技術空白和技術難點,為了能在2015年左右建成我國的X射線自由電子激光裝置,各項關鍵技術的研究及裝置建設的方案論證工作正在進行中,裝置的建設即將正式啟動。 
X射線的特性及應用 科學家們逐漸揭示了X射線的本質,作為一種波長極短,能量很大的電磁波,X射線的波長比可見光的波長更短(約在0.001~100 納米,醫學上應用的X射線波長約在0.001~0.1 納米之間),它的光子能量比可見光的光子能量大幾萬至幾十萬倍。因此,X射線除具有可見光的一般性質外,還具有自身的特性。正由于X射線的特性,使其在發現后不久,很快在物理學、工業、農業和醫學上得到廣泛的應用(右圖為X射線探傷機),特別是在醫學上,X射線技術已成為對疾病進行診斷和治療的專門學科,在醫療衛生事業中占有重要地位。1.X射線的物理效應(1)穿透作用。X射線因其波長短,能量大,照在物質上時,僅一部分被物質所吸收,大部分經由原子間隙而透過,表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關,X射線的波長越短,光子的能量越大,穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關,利用差別吸收這種性質可以把密度不同的物質區分開來。(左圖為X射線行李檢查儀)(2)電離作用。物質受X射線照射時,可使核外電子脫離原子軌道產生電離。利用電離電荷的多少可測定X射線的照射量,根據這個原理制成了X射線測量儀器。在電離作用下,氣體能夠導電;某些物質可以發生化學反應;在有機體內可以誘發各種生物效應。(3)熒光作用。X射線波長很短不可見,但它照射到某些化合物如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘、鎢酸鈣等時,可使物質發生熒光(可見光或紫外線),熒光的強弱與X射線量成正比。這種作用是X射線應用于透視的基礎,利用這種熒光作用可制成熒光屏,用作透視時觀察X射線通過人體組織的影像,也可制成增感屏,用作攝影時增強膠片的感光量。(4)熱作用。物質所吸收的X射線能大部分被轉變成熱能,使物體溫度升高。(5)干涉、衍射、反射、折射作用。這些作用在X射線顯微鏡(左圖)、波長測定和物質結構分析中都得到應用。(右圖為澳大利亞制造的新型X射線顯微鏡拍攝的物體內亞結構高分辨率圖像)2.X射線的化學效應(1)感光作用。X射線同可見光一樣能使膠片感光。膠片感光的強弱與X射線量成正比,當X射線通過人體時,因人體各組織的密度不同,對X射線量的吸收不同,膠片上所獲得的感光度不同,從而獲得X射線的影像。(2)著色作用。X射線長期照射某些物質如鉑氰化鋇、鉛玻璃、水晶等,可使其結晶體脫水而改變顏色。3.X射線的生物效應X射線照射到生物機體時,可使生物細胞受到抑制、破壞甚至壞死,致使機體發生不同程度的生理、病理和生化等方面的改變。不同的生物細胞,對X射線有不同的敏感度,可用于治療人體的某些疾病,特別是腫瘤的治療(右圖為治療腫瘤的X刀)。在利用X射線的同時,人們發現了導致病人脫發、皮膚燒傷、工作人員視力障礙,白血病等射線傷害的問題,在應用X射線的同時,也應注意其對正常機體的傷害,注意采取防護措施。
與X射線相關的諾貝爾獎   從1901年獲諾貝爾物理獎的倫琴開始,一個多世紀以來,因研究X射線技術、以及使用X射線進行研究、與X射線有關的研究而獲得諾貝爾獎的已有多人,可見X射線在科技發展中占有的重要地位。以下統計可能不完全:[1]1901年,諾貝爾獎第一次頒發,倫琴就由于發現X射線而獲得了諾貝爾物理學獎。[2]1914年,勞厄由于利用X射線通過晶體時的衍射,證明了晶體的原子點陣結構而獲得諾貝爾物理學獎。[3]1915年,布拉格父子因在用X射線研究晶體結構方面所作出的杰出貢獻分享了諾貝爾物理學獎。[4]1917年,巴克拉由于發現標識X射線獲得諾貝爾物理學獎。[5]1924年,西格班因在X射線光譜學方面的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。[6]1927年,康普頓與威爾遜因發現X射線的粒子特性同獲諾貝爾物理學獎。[7]1936年,德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測定分子結構的成就而獲諾貝爾化學獎。[8]1946年,繆勒因發現X射線能人為地誘發遺傳突變而獲諾貝爾生理學.醫學獎。[9]1954年,鮑林由于在化學鍵的研究以及用化學鍵的理論闡明復雜的物質結構而獲得諾貝爾化學獎(他的成就與X射線衍射研究密不可分)。[10]1962年,沃森、克里克、威爾金斯因發現核酸的分子結構及其對生命物質信息傳遞的重要性分享了諾貝爾生理學.醫學獎(他們的研究成果是在X射線衍射實驗的基礎上得到的)。[11]1962年,佩魯茨和肯德魯用X射線衍射分析法首次精確地測定了蛋白質晶體結構而分享了諾貝爾化學獎。[12]1964年,霍奇金因在運用X射線衍射技術測定復雜晶體和大分子的空間結構取得的重大成果獲諾貝爾化學獎。[13]1969年,哈塞爾與巴頓因提出“構象分析”的原理和方法,并應用在有機化學研究而同獲諾貝爾化學獎(他們用X射線衍射分析法開展研究)。[14]1973年,威爾金森與費歇爾因對有機金屬化學的研究卓有成效而共獲諾貝爾化學獎。[15]1976年,利普斯科姆因用低溫X射線衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的結構及成鍵規律的重大貢獻獲得諾貝爾化學獎。[16]1979年,諾貝爾生理.醫學獎破例地授給了對X射線斷層成像儀(CT)作出特殊貢獻的豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒有專門醫學經歷的科學家。[17]1980年,桑格借助于X射線分析法與吉爾伯特、·伯格因確定了胰島素分子結構和DNA核苷酸順序以及基因結構而共獲諾貝爾化學獎。[18]1981年,凱.西格班由于在電子能譜學方面的開創性工作獲得了諾貝爾物理學獎的一半。[19]1982年,克盧格因在測定生物物質的結構方面的突出貢獻而獲諾貝爾化學獎。[20]1985年,豪普特曼與卡爾勒因發明晶體結構直接計算法,為探索新的分子結構和化學反應作出開創性的貢獻而分享了諾貝爾化學獎。[21]1988年,戴森霍弗、胡伯爾、米歇爾因用X射線晶體分析法確定了光合成中能量轉換反應的反應中心復合物的立體結構,共享了諾貝爾化學獎。[22]1997年,斯科與博耶和沃克因籍助同步輻射裝置的X射線,在人體細胞內離子傳輸酶方面的研究成就而共獲諾貝爾化學獎。[23]2002年,賈科尼因發現宇宙X射線源,與戴維斯、小柴昌俊共同分享了諾貝爾物理學獎。[24]2003年,阿格雷和麥金農因發現細胞膜水通道,以及對細胞膜離子通道結構和機理研究作出的開創性貢獻被授予諾貝爾化學獎(他們的成果用X射線晶體成像技術獲得)。[25]2006年,科恩伯格被授予諾貝爾化學獎,以獎勵他在“真核轉錄的分子基礎”研究領域作出的貢獻(他將X射線衍射技術結合放射自顯影技術開展研究)。
誘發遺傳突變   1927年,美國生物學家繆勒(Hermann Josepn Muller,1890~1967)(右圖)在研究基因突變的過程中,用X射線照射了上百個果蠅,觀察它們與未經照射的果蠅交配后所產生后代的變異。他意外地發現,X射線大大加速了果蠅的變異,并廣泛地涉及到眼睛、剛毛、觸角、翅膀、個體大小、活潑程度等各個方面。這些變異現象,顯然是由基因突變引起的。人工誘發遺傳突變獲得成功,開辟了輻射遺傳和人工誘變研究的新領域,在理論和實踐上均有重大意義。繆勒的工作使他的老師摩爾根(T.H.Morgan)所創立的基因學說在實踐上得到了發展,繆勒因發現X射線能人為地誘發遺傳突變而被授予1946年諾貝爾生理學.醫學獎[8]。繆勒最早指出放射線對人類的遺傳有危害作用,他認為核(彈)試驗的放射性塵埃能引起大量有害突變,可能殃及后代。
揭示DNA雙螺旋結構   20世紀40年代末和50年代初,DNA被確認為遺傳物質,它能攜帶遺傳信息,能自我復制傳遞遺傳信息,能讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動,并能突變并保留突變。生物學家們面臨的難題是:DNA是什么樣的結構?當時主要有三個實驗室在研究DNA分子模型。一是倫敦國王學院的威爾金斯(Maurice Wilkins,1916-2004)(左)、富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin,1920~1958)(左圖)實驗室,他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結構。當X射線照射到生物大分子的晶體時,晶格中的原子或分子會使射線發生偏轉,根據得到的衍射圖像,可以推測分子大致的結構和形狀。英國女生物學家富蘭克林最早認定DNA具有雙螺旋結構。1952年5月,她運用X射線衍射技術拍攝到了清晰而優美的DNA照片(右圖),照片表明DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋,寬度為20埃,這為探明其結構提供了重要依據。二是加州理工學院的萊納斯.鮑林(Linus Carl Pauling,1901-1994)(左圖)實驗室。早在20世紀30年代初,鮑林對生物大分子結構研究產生了興趣,最初的工作是對血紅蛋白結構的確定。為了進一步精確測定蛋白質結構,他想到他早期從事的X射線衍射晶體結構測試的方法,將這種方法引入到蛋白質結構測定中,并且推導了經衍射圖譜計算蛋白質中重原子坐標的公式。至今,通過蛋白質結晶進行X射線衍射實驗仍然是測定蛋白質三級結構的主要方法,人類已知結構的絕大部分蛋白質都是經由這種方法測定獲得的。結合血紅蛋白的晶體衍射圖譜,鮑林提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的,這是最早的α螺旋結構模型。1954年,鮑林由于在化學鍵的研究以及用化學鍵的理論闡明復雜的物質結構而獲得諾貝爾化學獎(他的成就與X射線衍射研究密不可分)[9]。三是沃森(James Watson,1928-)(左)和克里克(Francis Crick,1916-2004)(右)的研究小組。沃森1951年在劍橋大學做博士后,研究DNA分子結構,課題項目是研究煙草花葉病毒。克里克當時正在做博士論文,dna_image.jpg (64971 字節)論文題目是“多肽和蛋白質:X射線研究”。沃森需要克里克在X射線晶體衍射學方面的知識,他說服克里克參加DNA分子模型的研究。他們從1951年10月開始拼湊模型,幾經嘗試,終于在1953年3月獲得了正確的模型。DNA雙螺旋模型的發現,是20世紀最為重大的科學發現之一,也是生物學歷史上惟一可與達爾文進化論相比的最重大的發現,它揭開了分子生物學的新篇章,人類從此開始進入改造、設計生命的征程。同時,它也是許多人共同奮斗的結果,克里克、威爾金斯、富蘭克林和沃森,特別是克里克,是其中最為杰出的。沃森、克里克、威爾金斯因發現核酸的分子結構及其對生命物質信息傳遞的重要性分享了1962年的諾貝爾生理學.醫學獎(他們的研究成果是在X射線衍射實驗的基礎上得到的)[10]。
測定蛋白質晶體結構   英國生物化學家肯德魯(John Cowdery Kendrew,1917-1997)(左)和佩魯茲(Max Ferdinand Perutz,1914-)(右),用X射線衍射分析法研究血紅蛋白和肌紅蛋白。肯德魯用特殊的X射線衍射技術及電子計算機技術描述肌球蛋白螺旋結構中氨基酸單位的排列,他與佩魯茨共同研究X射線衍射晶體照相術,以及蛋白質和核酸的結構與功能。1960年,他們把一些蛋白質分子和衍射X射線效率特別高的大質量原子(如金或汞的原子)結合起來,首次精確地測定了蛋白質晶體的結構。佩魯茨和肯德魯分享了1962年的諾貝爾化學獎[11]。
測定生物分子結構   英國女化學家霍奇金(Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin,1910~1994)(左圖)研究了數以百計固醇類物質的結構,其中包括維生素D2(鈣化甾醇)和碘化膽固醇。她在運用X射線衍射技術測定復雜晶體和大分子的空間結構的研究中取得了巨大成就。1949年她測定出青霉素的結構,促進了青霉素的大規模生產。1957年又成功測定出了抗惡性貧血的有效藥物——維生素B12的巨大分子結構(右圖),使合成維生素B12成為可能。由于霍奇金這兩項成果意義重大,影響深遠,她于1964年獲諾貝爾化學獎[12],成為繼居里夫人及其女兒伊倫·約里奧—居里之后,第三位獲得諾貝爾化學獎的女科學家。
構象分析法  挪威化學家哈塞爾(Odd Hassell,1897-1981)(左)1930年開始研究環己烷及其衍生物的結構。20世紀50年代起,哈塞爾主要從事有機鹵化物的結構研究,他用X射線衍射法研究結晶結構和分子結構,并測定電偶極矩,在確立用構象分析(分子的三維幾何結構)把化學性狀和分子結構系統聯系方面的研究卓有成效。哈塞爾與英國化學家巴頓( Derek Harold Richard Barton,1918-1998)(右) 因提出“構象分析”的原理和方法,并把它應用在有機化學研究中,研究了分子特性與分子中原子的復雜空間三維結構之間的關系,對發展立體化學理論作出了貢獻而同獲1969年諾貝爾化學獎[13]。
有機金屬化學wilkinson-2.gif (3392 字節)   英國化學家威爾金森(Geoffrey Wilkinson,1921-)(左)主要研究領域為結構化學和有機金屬化學。1951年發表了合成二茂鐵的論文,后來通過化學與物理方法的綜合研究及X射線結構分析,證明了二茂鐵是一個具有夾心面包式結構的化合物,一個鐵原子位于兩個茂基之間,兩個茂基的五碳平面環互相平行(右圖)。他在從事金屬與氫鍵合的研究中幾乎合成了全部過渡金屬的二茂夾心式化合物,還對過渡金屬的羰基化合物、氫化物和羥基化合物進行研究。1964年,他發現了三氯化物均相加氫催化劑(通稱威爾金森催化劑),在無機和有機化學中有廣泛意義,并具有重要工業價值。德國化學家費歇爾(Ernst Otto Fischer,1918-)研究了二茂鐵的結構,他提出了一種新的成鍵形式——夾心結構來說明其穩定性和磁性,并用X射線晶體分析法加以證實。1953年他的研究報告發表后引起了廣泛的重視。他還預測了二苯鉻夾心化合物的存在,于1954年合成了二苯鉻,并測定了它的結構。威爾金森與費歇爾因對有機金屬化學的研究卓有成效而共獲1973年諾貝爾化學獎[14]。
硼化合物結構   美國物理化學家利普斯科姆(William Nunn Lipscomb,1919- ) 主要從事硼烷、碳硼烷結構的研究。他與同事們發展并應用了低溫X射線衍射和核磁共振等方法,得到了許多硼氫化合物和硼烷的分子結構圖。他們的方法在生物化學的研究中也得到了應用。1963年他發表了專著《硼的氫化物》。由于他在研究硼化合物的結構及成鍵規律以及化學鍵一般性質方面的成就,獲得1976年諾貝爾化學獎[15]。
X射線斷層照相   利用X射線穿透后物質的性能與被穿透的物質種類有關的特性,創立了X射線影像診斷技術。例如,當X射線穿透人體時,骨骼吸收的X射線量比肌肉吸收的要多,通過后的X射線量不一樣,攜帶了人體各部密度分布的信息,在熒光屏上或攝影膠片上引起的熒光作用或感光作用的強弱不同,因而顯示出不同密度的陰影。醫生可根據陰影濃淡的對比,結合臨床表現、化驗結果和病理診斷,判斷人體某一部分是否正常。X射線診斷技術是世界上最早應用的人體非創傷性內臟檢查技術。但這種X射線照相無法解決前后物體的圖像重疊問題。1917年,奧地利數學家雷唐提出過用高度準直、極細筆狀X射線束,環繞人體某一部分作斷層掃描。未被吸收的光子穿透人體后被檢測器接收,這些模擬信號經過數據處理和運算后可重建圖像,這就是斷層照相的基本思想。可惜他的論文在發表后的50多年里被湮沒了,直至20世紀70年代初才發現。此后,在數學家們提出的各種對斷面掃描數據處理的運算方法中,貢獻最大的是美國理論物理學家科馬克(Alan MacLeod Cormack,1924-1998)(左圖)。1955年,在開普敦大學物理系教理論物理學的科馬克對癌的放射治療和診斷產生了興趣。他發現醫生在計算放射劑量時,把非均質的人體當作均質看待。他認為應把人體構造和組成特征用一系列前后相繼的切面圖像表現出來。經過近10年的努力,他終于解決了計算機斷層掃描技術的理論問題。豪斯菲爾德1963年,他首先建議用X射線掃描進行圖像重建,并提出了精確的數學推算方法。20世紀70年代,英國EMI公司的工程師豪斯菲爾德(N.Hounsfield,1919-2004)(右圖)在參考科馬克發表的應用數學重建圖像理論的基礎上,把電子計算機斷層照相技術引入醫學,使電子計算機技術與X射線機相結合,完成圖像重建過程。1971年,豪斯菲爾德研制成功的世界上第一臺X射線計算機斷層掃描機(Computerized Tomography,簡稱CT)在倫敦一家醫院正式安裝使用。X射線管在置在患者上方, 繞檢查部位旋轉, 患者下方的計數器也同時旋轉。由于人體器官和組織對X射線的吸收程度不同,病變組織和正常組織對X射線的吸收程度也不同,這些差別反映在計數器上, 經電子計算機處理,便構成了探測對象各個部位的橫斷圖像呈現在熒光屏上,它解決了X射線照相的前后物體圖像重疊問題,大大提高了醫學診斷的可靠性和準確性,使醫學成像技術向前跨了一大步。豪斯菲爾德與神經放射學家阿姆勃勞斯合作,成功地為一名英國婦女診斷出腦部的腫瘤,獲得了第一例腦腫瘤的照片。他們在英國放射學會上發表了第一篇論文,1973年英國放射學雜志對此作了正式報道,這篇論文受到了醫學界的高度重視,被譽為“放射診斷學史上又一個里程碑”,從此,放射診斷學進人了CT時代。1979年的諾貝爾生理.醫學獎破例地授給了豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒有專門醫學經歷的科學家[16]。最早的CT  機使用單束X 射線,配有1~2  個檢測器,掃描時X  射線管每次僅轉動1°,完成一次掃描需4~5 分鐘。第二代CT  機采用兩束X射線構成10°~20°的扇形束,  配有20~30  個檢測器,  每次掃描只需30~120秒。第三代CT 機由多個X 射線管組成30°的扇形束,  用250~350個檢測器,每次掃描只需2.5秒。第四代CT機用多個X射線管組成50°的扇形束,  用600~2400個檢測器排列成環狀,掃描時間僅1秒(右圖為第四代CT機掃描結構)。CT機正向第五代過渡,只要1/100 秒就可捕捉到人體生理活動的動態信息。
現代基因工程   英國生物化學家桑格(Frederick Sanger,1918-)(左)1955年研究確定了牛胰島素的化學結構,從而奠定了合成胰島素的基礎,并促進了對蛋白質分子結構的研究。1958年桑格因確定胰島素的分子結構而獲得諾貝爾化學獎。22年后,桑格借助于x射線分析法與美國生物化學家吉爾伯特(Walter Gilbert,1932-)(右)、·美國生物化學家伯格(Paul Berg,1926- )(右右)確定了胰島素分子結構和DNA核苷酸順序以及基因結構而共獲1980年諾貝爾化學獎[17]。
顯微影像重組   1968年,英籍南非生物化學家克盧格(Aaron Klug,1926-) 將X射線衍射法和電子顯微鏡技術結合起來,發明了顯微影像重組技術,并用這種技術揭示了病毒和細胞內重要遺傳物質的詳細結構。這種技術是把一種結晶物質的電子顯微照片置于激光下曝光,當激光照在底片的圖象上時,它便發生衍射或散射,再用這無數小點形成的圖樣制出比電子顯微照片上的圖象更詳細的圖象來。他利用晶體的各個“面”的若干個這樣的二維圖象,形成一個生物大分子結構的立體圖象。此項技術可用來研究那些由于分子太大而不能用 X射線晶體學來研究的結構,為測定生物大分子結構研究開創了一條新路。克盧格用此技術確定桿狀煙葉花葉病毒是由100多個圓片以核糖核酸為中心堆疊而成的。他指出,這些“球形”病毒的圖象,同能引起小兒麻痹癥和疣的病毒一樣,它們的結構都有20個面。克盧格及其劍橋大學的同事們還研究了轉移核糖核酸的螺旋結構及其在動物細胞中的作用。克盧格因在測定生物物質的結構方面的突出貢獻而獲得1982年諾貝爾化學獎[19]。
晶體結構直接計算法   美國晶體學家豪普特曼(Herbert Aaron Hauptman,1917-) 和美國物理學家卡爾勒(Jerome Karle,1918-)主要從事X射線晶體學中的相角問題和矩陣理論的研究。X射線衍射是研究晶體結構的重要手段,20世紀50年代以來,豪普特曼和卡爾勒用統計數學方法研究了晶體的衍射數據,發現其中隱含有相角的信息。經過大量的工作,推導出衍射線相角的關系式,可直接從衍射強度的統計中得到各衍射線相角的信息,這就是晶體學結構的直接計算法。1950-1955年間,他們用這種方法確定了5-6種分子結構。到了70年代,借助先進的電子計算機運算,不用假設就能迅速確定分子的化學結構。他們的成果為探索新的分子結構和化學反應提供了基本方法,為分子晶體結構測定作出了開創性的貢獻,豪普特曼與卡爾勒同獲1985年諾貝爾化學獎[20]。
光合作用反應中心的立體結構   德國科學家胡伯爾(Robert Huber,1937-)(左圖)1972年在德國馬克斯·普朗克學會研究所建立了蛋白質結晶學研究室,為生物巨分子膜結構與功能的理解做出了重要的貢獻。他對于資料收集的儀器和蛋白質結晶學的方法,特別是Patterson方法、圖解方法和精制,對于電子富含金屬簇的用途和最新的結晶改進的方法和儀器做出了貢獻。戴森霍弗(Johann Deisehofer,1937-)(左)對結晶體結構學具有豐富的經驗,也是計算及科學方面強有力的學者。米歇爾 (Hartnut Michel,1948-)(右) 1981年7月底成功地從視紫紅蛋白中獲得了世界上第一個膜蛋白晶體—紫色光合細菌的光合作用反應中心的晶體,并以3埃的高精確度確定了該反應中心的三維結構。他們三人合作用X射線晶體分析法確定了光合成中能量轉換反應的反應中心復合物的立體結構,揭示了由膜束的蛋白質形成的全部細節而分享了1988年諾貝爾化學獎[21]。
人體細胞內的離子傳輸酶    20世紀50年代初,美國生物化學家博耶(Paul D.Boyer,1918-)(左圖)發現細胞形成三磷酸腺苷的過程發生在動物細胞的線粒體中。1961年,英國化學家米切爾認為,形成三磷酸腺苷所需的能量是氫離子沿著其濃度梯度的方向穿過線粒體膜時提供的(米切爾為此獲1978年諾貝爾化學獎)。博耶的研究集中于三磷酸腺苷合酶(大多數生物的主要產能分子,這種分子有助于三磷酸腺苷這種化學能量載體的合成),他假設一種不平常的機制來解釋三磷酸腺苷合酶的特性,被稱做“束縛轉變機制”。英國化學家沃克(John Emest Walker,1941-)(右圖)于20世紀80年代初開始研究三磷酸腺苷合酶,他的研究重點在酶的化學成分和結構上。他確定了構成合酶蛋白質單元的氨基酸的序列。90年代,沃克與X射線結晶學家一起籍助同步輻射裝置的X射線研究生物分子的結構與功能,澄清了酶的三維結構,取得了突破性的成就。他的研究工作支持了博耶的“束縛轉變機制”。丹麥生物化學家斯科(Jens C.Skou,1918-)(左圖)于20世紀50年代后期在動物細胞的質膜中發現了鈉鉀ATP酶。束縛于細胞膜的鈉鉀ATP酶被外部的鉀和內部的鈉所激活,酶將鈉泵出細胞并將鉀泵入細胞,從而維持相對于周圍外部環境的細胞內部的高鉀濃度和低鈉濃度。斯科與博耶和沃克因對人體細胞內的離子傳輸酶方面的成就而分享1997年諾貝爾化學獎[22]。
細胞膜水通道及離子通道結構   水溶液占人體重量的70%,生物體內的水溶液主要由水分子和各種離子組成,它們在細胞膜通道中的進進出出可以實現細胞的很多功能。20世紀50年代中期,科學家發現細胞膜中存在著某種通道只允許水分子出入,人們稱之為水通道。因為水對于生命至關重要,可以說水通道是最重要的一種細胞膜通道,但水通道到底是什么一直是個謎。20世紀80年代中期,美國科學家阿格雷(Peter Agre,1949-)(左圖)研究了不同的細胞膜蛋白,發現一種被稱為水通道蛋白的細胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道。2000年,阿格雷與其他研究人員一起公布了世界第一張水通道蛋白的高清晰度立體照片(右右)。照片揭示了這種蛋白的特殊結構只允許水分子通過。奧斯特瓦爾德(1909年諾貝爾化學獎獲得者)在1890年就推測離子進出細胞會傳遞信息。20世紀20年代,科學家證實了存在一些供離子出入的細胞膜通道。50年代初,霍奇金和哈克斯利發現離子從一個神經細胞中出來進入另一個神經細胞可以傳遞信息,他們獲得了1963年諾貝爾生理學.醫學獎,但那時還不了解離子通道的結構和工作原理。1998年,美國科學家麥金農(Roderick MacKinnon,1956-)(左圖)在美國康奈爾大學的同步輻射裝置CESR(簡介)上利用X射線晶體成像技術獲得了世界第一張離子通道的高清晰度照片(右右),并第一次從原子層次揭示了離子通道的工作原理。這張照片上的離子通道取自青鏈霉菌,也是一種蛋白。麥金農的方法是革命性的,它可以讓科學家觀測離子在進入離子通道前的狀態,在通道中的狀態,以及穿過通道后的狀態。對水通道和離子通道的研究意義重大。阿格雷和麥金農被授予2003年諾貝爾化學獎[24],分別表彰他們發現細胞膜水通道,以及對細胞膜離子通道結構和機理研究作出的開創性貢獻。他們的發現對人類探索腎臟、心臟、肌肉和神經系統等方面的諸多疾病具有極其重要的意義。諾貝爾科學獎通常只頒發給年齡較大的科學家,獲獎成果都需經過幾十年的檢驗。但阿格雷獲獎時只有54歲,而麥金農才47歲,他們的研究成果也比較新,這在諾貝爾科學獎歷史上也屬罕見,顯示出當代科學跨領域研究的趨勢。
捕捉脫氧核糖核酸(DNA)的復制過程   基因中遺傳信息的轉錄和復制是地球上所有生物生存和發展必然經歷的過程,美國科學家科恩伯格(Roger Kornberg,1947-)(左圖)第一個成功地將脫氧核糖核酸(DNA)的復制過程捕捉下來(右下圖)。布拉格父子因發明X射線晶體結構分析法共同獲得了1915年的諾貝爾物理學獎。科恩伯格的父親亞瑟(Arthur Kornberg,1918-)因研究出DNA合成過程的細節而獲得了1959年的諾貝爾生理學.醫學獎,當年只有12歲的科恩伯格曾跟隨父親前往斯德哥爾摩參加諾貝爾獎的頒獎儀式。科恩伯格從20世紀70年代開始使用X射線衍射技術結合放射自顯影技術開展研究。他在美國斯坦福直線加速器中心SLAC(簡介)的同步輻射裝置SSRL上進行實驗,研究遺傳信息最初復制到RNA中的過程,對此過程中各個階段的DNA、RNA和聚合酶的復合體進行結晶,用X射線拍下各個階段的復合體的照片,揭示了真核生物體內的細胞如何利用基因內存儲的信息生產蛋白質,為破譯生命的隱秘做出了重大貢獻。科恩伯格被授予2006年諾貝爾化學獎[25],以獎勵他在“真核轉錄的分子基礎”研究領域作出的貢獻。
 

責編:微科普

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