張文凱等人利用飛秒XES 完整地跟蹤了多聯(lián)吡啶鐵配合物電子激發(fā)態(tài)的超快弛豫動力學過程(如圖4 所示)，首次發(fā)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)在200 飛秒內(nèi)從低自旋態(tài)經(jīng)過配位場三重態(tài)中間態(tài)最后弛豫到高自旋的配位場五重態(tài)。這是配位場三重態(tài)中間態(tài)存在的第一個直接的實驗證據(jù)。細胞色素c 通過調(diào)節(jié)血紅素鐵與甲硫氨酸之間的結(jié)合，在電子傳輸和細胞凋亡中起著關(guān)鍵作用。Mara 等人利用飛秒XAS和XES，研究了亞鐵細胞色素c 中Fe—S 鍵的光解過程，展現(xiàn)了生物系統(tǒng)如何利用化學鍵的熵狀態(tài)來調(diào)節(jié)其化學功能。Wernet 等人利用飛秒RIXS 技術(shù)探測了五羰基鐵的價電子結(jié)構(gòu)在乙醇溶液中的變化，跟蹤了其中復雜的激發(fā)態(tài)動力學過程。strm 等人利用飛秒XAS研究了固體催化劑催化一氧化碳氧化過程中形成過渡態(tài)的過程，獲得了電子排布在飛秒時間尺度的變化，得到了過渡態(tài)中化學鍵形成的信號。Kim 等人用飛秒X射線漫散射直接觀測了光激發(fā)后Au三聚物在水溶液中形成過程中的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化，包括Au-Au共價鍵的形成、從彎到直的過渡、化學鍵收縮以及四聚體的形成，并確定了反應中間體的亞埃級分辨率的三維結(jié)構(gòu)。該研究首次在溶液中實時觀測到化學鍵形成過程中的動態(tài)變化，為未來對化學反應過程的研究提供了一個強有力的工具。

五、X 射線自由電子激光在生命科學中的應用

生物大分子是一切生命活動的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)與功能研究一直是生命科學研究中的重大前沿課題，X射線晶體學是研究生物大分子三維結(jié)構(gòu)最主要的方法。目前蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中接近89%的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過同步輻射X光源來獲得的，由此可見X射線晶體學在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析中的重要地位。但是X射線的輻射損傷限制了X射線晶體學在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學研究中的應用，并且其對無法結(jié)晶的蛋白質(zhì)也束手無策。幸運的是，XFEL 產(chǎn)生的超短超強飛秒X射線脈沖為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學研究提供了新的契機。超短超強飛秒X射線脈沖能夠在X射線損傷樣品之前就獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)和電子態(tài)信息，也就是所謂的“損傷前探測法”(如圖5所示)。

　

圖5.利用XFEL進行“損傷前探測”(該圖選用自物理, 2018,47(7):426 和47(8):491, 并進行了修改)

X射線晶體學探測的是晶體的布拉格衍射信號，并由此來解析晶體樣品的結(jié)構(gòu)。而當樣品是單粒子或者非晶材料時，就需要利用相干X射線光源測量其衍射信號，并利用相位恢復算法來獲取樣品結(jié)構(gòu)圖像，這就是X 射線相干衍射成像技術(shù)。XFEL的出現(xiàn)極大地推動了相干衍射成像技術(shù)的發(fā)展和應用。根據(jù)樣品的狀態(tài)和實驗設置的不同，XEFL 成像技術(shù)一般分為串行晶體衍射成像(SFX)和單顆粒成像(SPI)。SFX 利用晶體對于XFEL 的衍射強度分布，建立結(jié)構(gòu)模型，適用于微米量級的晶體；SPI 是XFEL 與全同的納米量級的微小樣品相互作用，適用于無法結(jié)晶的樣品的結(jié)構(gòu)探測。

目前XFEL 在SFX 技術(shù)中的應用已經(jīng)較為成熟。在實驗中，人們首先獲得大量微小晶體的散射實驗數(shù)據(jù)，然后篩選有效數(shù)據(jù)進行樣品模型的重建，從而得到被測樣品的結(jié)構(gòu)信息。如非洲昏睡病的病原布氏錐蟲內(nèi)部的半胱氨酸蛋白酶B 是一種決定該寄生蟲生死的關(guān)鍵的酶，有望成為治療非洲昏睡病的藥物靶點，因此獲得該酶的結(jié)構(gòu)就非常重要。為實現(xiàn)這一目標，德國科學家先在細胞內(nèi)表達這種蛋白，得到微米量級的蛋白質(zhì)晶體，接著利用SFX技術(shù)獲得該酶的結(jié)構(gòu)。這些研究證明了XFEL解析微小蛋白質(zhì)晶體的能力，被美國Science 雜志選為2012 年度十大科學突破之一。SPI 針對的樣品主要是體積較大的生物樣品或者納米量級的顆粒，具體而言，可以是細胞、細菌、病毒以及細胞器蛋白質(zhì)等。類似于SFX，人們通過散射測量、數(shù)據(jù)篩選、模型重建從而獲得樣品的結(jié)構(gòu)信息。SPI 方法目前建立在樣品全同的假設之上，但實際上樣品存在尺寸和構(gòu)型的差異，目前人們正在通過對實驗和理論方法的改進和優(yōu)化來減少這方面的影響。整體而言，SPI 技術(shù)目前并不成熟，還面臨諸多挑戰(zhàn)。但由于其重要性，SPI 是國際上諸多新建XFEL裝置的一個重要發(fā)展方向。