新的Buckyball研究将协助生物学研究

由60个碳原子组成的Buckyballs球在SLAC的Linac相干光源被强烈的X射线脉冲撞击时会破裂，从而破裂。（格雷格·斯图尔特/ SLAC）

研究人员使用SLAC的Linac相干光源X射线激光，仔细观察了称为buckyballs的足球状碳分子。

SLAC的科学家一直在用X射线激光炸毁足球形状的足球球“布基球”，以了解它们如何飞散。他们说，这些结果将通过改进对微小病毒，个体蛋白质和其他重要生物分子的X射线图像分析来帮助生物学研究。

实验是在美国能源部科学办公室用户设施SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光器上进行的，结果出现在《自然通讯》上。

“有点像Catch-22：您需要X射线激光的焦点要非常强烈，明亮才能获得良好的图像。”康涅狄格大学的实验物理学家Nora Berrah说。“但是X射线还会触发原子中意外的快速而实质性的破坏和运动，从而导致图像模糊。”伯拉（Berrah）由德国DESY实验室的自由电子激光科学中心的理论家罗宾·桑特拉（Robin Santra）领导了这项研究。

由于布基球完全由碳（地球上所有生命的支柱）组成，因此它们是生物分子的良好替代品，其中许多生物分子也具有牢固的原子键。他们的正式名称是“ buckminsterfullerene”，因为它与R. Buckminster Fuller发明的测地线圆顶相似。

研究人员报告说，在被L​​CLS X射线撞击后的20毫微微秒（毫秒）内，布基球中的原子飞散了，并移动了比其自身直径长约10倍的距离。

伯拉说：“明亮的X射线将大量电子击出分子，其原子越来越带正电，而电斥力最终使分子爆炸。”

就像快速移动的物体会模糊传统照片一样，爆炸分子中的原子和自由浮动电子的高速度也会掩盖X射线图像，因此，观察处于完整状态的分子的最佳方法是使用最短的分子， LCLS上可用的最亮脉冲可在发生任何损坏之前捕捉图像。

此外，对损坏的细节进行建模可以帮助研究人员找到最佳时机和技术，以捕获准确的图像，这些图像可以绘制出3-D结构和样品的其他特性。

在LCLS上，研究人员使用专门的烤箱制作了细长的布基球气束，该束气体进入了LCLS X射线脉冲的路径。他们改变了LCLS脉冲的能量和长度，并使用了瑞典开发的专用光谱仪来测量X射线驱动的爆炸及其后果中分子的带电碎片。

平均而言，大约180个被称为光子的光粒子进入LCLS脉冲撞击的每个布基球，在某些情况下，它们将碳原子上的所有电子剥离，同时将分子吹散。

然后，电荷高的布基球位（称为离子）形成微小的等离子体，并开始向其拉动自由浮动的电子，这一过程称为“二次电离”。

Berrah指出，如果没有实验，即使使用功能强大的计算机，开发能够模拟和预测大型复杂分子行为的模型也是一项挑战。LCLS的实验是帮助构建和验证新的理论模型以解释布基球在极端X射线强度下的行为的关键。

“实际上，最重要的是该模型所解释的二次电离效应，我们对此进行了验证，” Berrah解释说。“这些影响比预期的要强大得多，持续时间更长。”

科学家将分子爆炸的碎片与CFEL的DESY科学家Zoltan Jurek开发的模拟进行了比较。“这类仿真工具最初是为处于平衡状态或接近平衡状态的液体和聚合物之类的产品而开发的，而不是为我们在此处看到的高能量和强大的力而开发的，” Jurek解释说。“没有人知道这是否真的行得通。”

Berrah说：“我们需要实验数据来构建和开发模型。同时，这种强大的模型使我们能够解释数据。这是通过LCLS等激光研究单个复杂生物分子（如蛋白质）的重要里程碑。”

除了康涅狄格大学，自由电子激光科学中心和SLAC之外，该研究的其他合作者还来自西密歇根大学，汉堡超快成像中心和德国汉堡大学，瑞典哥德堡大学，牛津大学英国大学，意大利无机方法学和等离子体研究所，斯坦福大学脉冲研究所，伦敦帝国学院，芬兰图尔库大学，德克萨斯大学奥斯汀分校，法国Synolerotron SOLEIL和日本东北大学。

这项工作得到了美国能源部科学办公室，德国汉堡超快成像中心，瑞典研究委员会，瑞典GöranGustafsson和Knut和Alice Wallenberg基金会以及英国工程和物理科学研究委员会的支持。

出版物：B. F. Murphy等人，“飞秒X射线诱导的C60极端强度爆炸”，《自然通讯》第5期，文章编号：4281; doi：10.1038 / ncomms5281

图像：格雷格·斯图尔特/ SLAC