44、利用光子相关性的自由电子激光单粒子成像技术解析

利用光子相关性的自由电子激光单粒子成像技术解析

1. 单分子成像背景与特点

在单分子成像中，为了观察分子的自然构象，确保单分子处于其生理环境至关重要。在散射过程里，电离（俄歇衰变）会使分子中的原子带电，进而导致库仑爆炸，这也使得该方法被称为“衍射并破坏”实验。实际上，仅有 10%的光子会发生相干散射，其余光子会因光电效应被吸收，并在短时间内以较低能量从分子中射出。不过，通常短于 100 飞秒的脉冲能够避免严重的辐射损伤，因为分子对电子构型变化的响应运动预计需要超过 100 飞秒，所以在分子解体之前，入射光子就会被未受干扰的结构散射。

与传统的 X 射线晶体学类似，此方法仅测量强度而非相位。在没有晶体的情况下，所测量的信号是分子的连续傅里叶变换，这使得相位问题可以通过已有的从头算相位恢复方法来解决。

以往的 X 射线源，包括同步辐射源，主要用于研究静态结构，而 X 射线自由电子激光（XFEL）本质上适合在原子相互作用的时间和长度尺度上研究动态系统。与测量结构集合的方法（如核磁共振、小角 X 射线散射、荧光共振能量转移）不同，该方法能够获取单分子图像。借助种子模型，这些图像可以进行概率排序，以区分不同的天然构象。此外，类似于纳米晶体学，在一些可以轻松诱导反应（如通过光）的系统中，可以记录不同反应时间的一系列结构，这为实现分子电影这一长期梦想打开了窗口。即使不进行排序，也可以通过确定的电子密度的方差来评估天然构象的差异，其中柔性区域的模糊程度会比刚性蛋白质基序更大。

2. 少光子结构测定面临的挑战

单分子散射图像对连续 3D 傅里叶强度的球面截面（埃瓦尔德球）进行采样，即 (I (k) = |F[\rho(x)]|^2)，截面的方向取决于分子