化学家是梦想家。每天，他们想象着分子漂浮在空中，原子在舞蹈的场景。他们在精神上想象分子旋转，从不同角度查看分子，甚至扭转每个分子，直到打开化学键，形成新的化学键。

    化学家的脑海里播放着这样的电影，所以他们可以想象（可视化）分子的反应过程。德国马克斯-普朗克研究所的物理化学家Dwayne Miller说，所有化学学科统一的思想实验是想象原子的实时运动。这是整个领域的研究者的梦想。

     自分子结构概念的提出，至今150年以来，化学家一直有个梦想。现在，这个梦想已经逐渐成为现实。研究人员用一系列技术，在实验室中“导演”着分子电影，其中大多数时候是利用令人难以置信的短暂光脉冲或电子照亮场景。有时依赖于扫描隧道显微镜（scanning tunnelling microscopes，STMs）的原子精度，而其他时候则利用X射线的强烈爆发，以揭示靶标的结构。

    他们的目标是拍摄在皮秒（picoseconds，ps，10-12s）或飞秒（femtoseconds，fs，10-15s）内发生的事件，其中原子的运动距离在皮米（picometres，pm）水平（氢原子的直径约100pm）。在这种分辨率下，研究者得以直接观察一个分子扭转的慢动作、原子键振动和断裂，甚至电子来回运动。随着这些技术变得越来越主流，收益可能是巨大的。它们可以提供关键信息，从而产生更好的催化剂、人工形式的光合作用或操纵分子的新方法。

    这些“电影”里的“明星”通常有多个“分身”，数十亿完全相同的分子（整齐地形成微小的晶体）一起拍摄“群戏”。不过，研究人员越来越多地将单个分子放在聚光灯下，以发现更多关于分子真实性质的信息。

    随着世界各地的研究团队开发新的方法来捕捉运动中的单个分子，他们发现，每一种技术都有可能从不同的角度揭示分子的行为。一些方法更擅长原子的精确定位；一些方法擅长在极短的时间内拍摄分子。这些方法可能前所未有地详细展示了化学过程。这些技术的组合可以产生真正的分子电影。

灯光，摄像机，开拍！

    分子电影摄影可以追溯到20世纪80年代出现的分子捕获快照的方法。一种超前技术（泵浦探测光谱学技术）使用仅仅持续飞秒的激光脉冲来触发化学反应，片刻之后，第二个飞秒脉冲到达，与样品分子相互作用。该方法改变了光线，可被检测器测量，并将其转换为分子的“照片”。 通过一次又一次的重复实验，改变两个脉冲之间的延迟时间，研究人员可以建立一个翻页书（原始动画），来显示每个阶段的化学反应。

    这种技术是一种飞秒化学技术，前所未有地揭示了化学反应的内部运作，同时也揭示了一种分子转变为另一种分子过程中短暂中间体的身份。然而，飞秒化学中的激光的波长远远大于单个原子之间的距离，因此该技术无法揭示分子中原子的位置。

为了获得单个原子的清晰照片，长期以来，科学家们一直依赖于X射线晶体学或电子衍射，研究光子或电子在通过分子时如何散射。同时，诸如STMs和原子力显微镜（atomic force microscopes，AFMs）的工具可以提供单个分子中原子及其周围电子的详细照片。然而，这些技术通常需要几毫秒或更长的时间才能成像，这太慢以至于不能捕获原子的来回运动。

    针对这一点，在过去几年里，分子电影制作人员将飞秒化学、衍射和原子成像的各方面相结合，以建立一个混合技术的工具箱（联合了空间和时间分辨率），显示自然环境中的原子和分子。

    2016年，德国雷根斯堡大学的研究人员使用激光脉冲，大幅提高了STMs的快门速度。这种显微镜的顶部非常尖锐，窄至单个原子大小，其可在卡在表面的分子上移动。随着尖端移动，电流大小的改变揭示出分子周围电子的形貌。

    在雷根斯堡大学的实验中，研究人员通过STMs的尖端发射太赫兹（terahertz，THz）辐射（频率在微波和红外之间）激光脉冲来触发每次快照。这在尖端和靶分子（并五苯）之间产生足够的电压差异，使电子从分子通道逃出。该通道在THz脉冲的单个周期内打开，使STM快门速度可以达到100fs，时间足够短，以产生并五苯电子轨道在该时刻的冻结帧。

    在失去电子后，并五苯分子被电势拉至表面，导致其上下摆动。研究人员在不同的时间间隔使用THz脉冲首次见证了这种振动。研究团队的领导者之一物理学家Jascha Repp说，在单个分子中没有其他途径可以观察到这种振动。

    尽管该实验本质上是一个概念验证，但Repp认为他的团队可以将THz-STM的时间分辨率缩短到10fs，因此可以揭示更快的过程：电子吸收光线后滑过分子，或氢离子在不同位点之间来回跳跃，这个过程被称为互变现象，它可以影响许多生物分子的反应活性。DiMauro指出，这可能具有革命性意义，“你可以在表面上观察原子特异性反应”。

   瑞士苏黎世IBM研究院的物理学家Leo Gross和Repp也希望投入使用AFMs。该仪器有一个尖端，像一个唱片唱针一样，在样品上滑动，其振动受到下方原子的轻微吸引力和排斥力，这提供了比STMs分辨率更好的图像。

轰动的作品

    STMs和AFMs的吸引力之一在于不锈钢真空室和探针簇的设备可以安装在一个小实验室中。这些技术是分子电影制作的独立工作室，研究人员相对容易获得。

    与之形成对照的是，在加州SLAC国家加速器实验室的4.41亿美元的直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS）完成的分子电影大片。这个巨大的X射线自由电子激光器（X-ray free-electron laser，XFEL）能产生明亮的相干脉冲，从而揭示蛋白质结构。在这台机器上的实验时间的竞争是非常激烈的。

    2016年，一个国际研究小组报告称，使用LCLS的X射线脉冲首次观察到关键的生物过程。该团队的目标是光敏黄蛋白（photoactive yellow protein，PYP），这是一些细菌的光传感器。PYP的核心包含不能自由扭曲的刚性碳-碳双键的光吸收区域。双键任一端的大基团通常指向相反的方向——称为反式构型。但是该团队使用蓝色激光脉冲暂时断裂的一个键，允许大基团扭曲成顺式的构型，指向相同的方向。这种反式-顺式异构现象经常发生在生物系统中，如视觉中的化学过程。

该团队使用一系列40fs长的x射线脉冲，追踪初始激光爆发，产生显示原子位置的衍射图案。将这些串成一部电影，他们发现，光激发PYP后约550fs会发生异构化。亚利桑那州立大学的生物化学家Petra Fromme吃惊地说，这种异构化不是瞬时的，“它完全改变了我们对这个反应的看法”。

     该实验针对的是漂浮在溶液中微米级晶体，但其他研究人员试图使用LCLS拍摄气体中的单个分子。2015年，他们制作了一个打开环形分子（这是化学和生物化学的经典反应）的电影。由于X射线波长太长，不能直接分辨原子，所以该团队依靠理论模拟将图像锐化为16帧分子电影。不过，目前成本10亿美元的升级LCLS-II正在建设中，这应该能提供更短波长的X射线（更短、更高频率的脉冲），预计将提高分子电影的时间和空间分辨率。

    Fromme希望新一代的紧凑型XFELs（可能花费不到1500万美元）可以让更多的科学家使用该技术。她现在正在与合作者研究两个原型，并表示明年可能会完成第一个原型——位于德国汉堡的电子同步加速器实验室的AXSIS。这些台式XFELs将产生仅数百阿秒（10s-18s）长的X射线脉冲。由于这些脉冲时间很短，所以不会摧毁目标分子。

分子自拍

    LCLS中能量最高的X射线波长是150pm，这有点太长，导致不能选出单个的碳和氢原子。为了进一步提高分辨率，研究人员可以使用快速移动的电子，因为电子的波长更短，通过分子衍射可以提供更好的空间分辨率。这是冷冻电子显微镜背后的原理，其目前正在革新结构生物学的世界，特别是它提供冷冻样品中蛋白质的详细结构，而不需要样品制成晶体。

     虽然冷冻电子显微镜可以提供多个分子的合照，但其他技术使用电子来成像单分子。2016年，西班牙巴塞罗那光子科学研究所的主管Jens Biegert带领的一个团队报告称，他们用激光诱导电子衍射来研究乙炔的单个分子。在这种技术中，红外脉冲沿着一定方向排列分子，然后第二个脉冲将两个电子从其中敲除，破坏乙炔的两个碳氢键之一。

     像任何形式的光一样，激光脉冲是由振荡的电场和磁场制成的。第二个脉冲的电场接受释放的电子之一，并将发送回分子。电子在第一次逃脱后约9fs到达，在这种情况下，电子像一个波浪破碎在岩石海岸一样发生衍射，所形成图案揭示了快门速度小于1fs的原子位置。这可能是最终的分子自拍。

    每一次发生这种情况，电子衍射方向略有不同，所以Biegert团队必须重复一次又一次该过程，收集足够的数据来建立乙炔片段和从其分裂的氢离子的清晰照片。在重复约十亿次后，团队取得了几帧的分子电影，展示了化学键的断裂过程。

    Biegert指出，该LIED技术通过用分子自身的电子之一来成像分子，避免了传统电子衍射的问题。传统的成像方法使用“电子枪”，也就是说，在整体样本发射电子束。这些电子在飞行中会互相排斥，从而增加脉冲的长度，使得很难将快门速度设定在10fs以下。

    在下一阶段的分子电影制作中，研究人员希望将快门速度从飞秒提高到阿秒，从而产生慢动作电影。在这些快门速度下，原子似乎以缓慢的速度移动，电子运动变得更加清晰。DiMauro说，这将是至关重要的一步。因为电子的行为最终控制原子的运动。他们已经开发出一种好的技术来观察原子运动，“但是如果想看到真正的分子电影，我们需要观察电子”。

（作者：高建臣)

参考文献： Nature 2017;544:408-410