過去100年里X射線晶體學(xué)在解析物質(zhì)（尤其是生物大分子）三維結(jié)構(gòu)方面取得了巨大成功，包括DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、核糖體、GPCR等。然而X射線晶體學(xué)一般要求高質(zhì)量大尺寸的晶體；對于無法結(jié)晶的樣品，尤其是孤立的單個分子（isolated single molecule），要獲得其三維結(jié)構(gòu)仍然面臨極大的挑戰(zhàn)。

近期，上海交通大學(xué)張杰院士和向?qū)Ы淌陬I(lǐng)導(dǎo)的課題組利用在基金委國家重大科研儀器研制項目資助下研發(fā)的兆伏特超快電子衍射裝置，結(jié)合多束超快激光相干地操控分子，證明了一種可在不結(jié)晶的條件下實現(xiàn)單分子結(jié)構(gòu)解析的方法，并獲得0.7埃的分辨率；該工作以“Ultrafast isolated molecule imaging without crystallization”為題發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》[PNAS, 119, e2122793119 (2022)]。實驗中利用四束飛秒激光脈沖相干地操控分子使得分子在特定時間處于相同的取向（類似獲得分子“晶體”），同時利用接近光速（0.99 c）的超短電子束成功測量到處于短暫的準直狀態(tài)（時間窗口約100飛秒，1飛秒=10^-15）的分子的衍射斑，再結(jié)合相干衍射成像技術(shù)反演出分子的實空間分布。

超快單分子成像原理示意圖

相干衍射成像（coherent diffraction imaging）技術(shù)可利用衍射斑反演得到不具備周期結(jié)構(gòu)的樣品分布。由于要求單次散射僅測量一個樣品的信號，因此用于單分子成像時面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，即便利用目前自由電子激光大科學(xué)裝置產(chǎn)生的超短超強X射線，仍然無法在與單分子進行散射時獲得足夠信噪比的信號。傳統(tǒng)的相干衍射成像技術(shù)之所以必須測量單個分子的衍射斑，是因為不結(jié)晶狀態(tài)的多個分子的取向一般處于隨機的分布，因而各個分子衍射斑的疊加會使得單個分子衍射斑的特征分布變得模糊。將多個分子的衍射斑疊加，盡管可以增強信號強度，但是卻僅能獲得原子間距的一維信息，無法用于三維結(jié)構(gòu)重建。事實上如果分子的取向相同，則每個分子都具有相同的衍射斑，多個分子信號疊加后仍然能夠維持單個分子衍射斑中的特征分布；這樣便可利用多個分子同時進行散射，實現(xiàn)了單分子散射的信號增強。

取向隨機分布的分子和取向相同的分子及產(chǎn)生的衍射斑