量子生物学不是山寨学科,它真的存在(2)
利用中子的这些特性,非常有利于我们研究生物相关的课题。
现在中子散射在各门学科都有应用,比如物理、化学、生物、材料方面。
我今天讲的给蛋白质拍电影就是在生物方面的应用,中子对碳、氢、氧看得更清楚。
我们都知道生命体是由很多蛋白质组成的,很多生物学家认为这些蛋白质的结构和功能是相关的。
所以生物学家需要给蛋白质拍照片。
但是因为蛋白质在不停地运动,而且运动的整个过程更能体现它的功能,所以给蛋白质拍电影是更重要的一个研究方向。
给蛋白质拍电影并没有那么容易。
蛋白质真实运动的时间尺度其实是非常快的,大概是10-12~10-9秒这样的量级,一般的摄像机或显微镜是拍不到的。
但是,我们利用中子散射可以看到蛋白质是怎样运动的。
微观世界的精密“尺子”
用中子散射怎么看蛋白质的运动呢?
如果让中子慢下来,它的波长与微观世界的原子和分子的尺度相当,可以作为一把观察微观世界的尺子对微观世界进行测量,看它到底发生了什么,以及物质是如何运动的。
这张图是我给学生讲中子散射时常用的。
假如把中子看成老鼠,入射的中子打到奶酪——我们把它叫做样品,蛋白质等都可以作为样品。
中子经过样品以后发生散射,散射之后还是中子,它的能量和动量可能发生了变化,携带了样品的一些微结构信息,然后就被狗探测器探测到。
上面这个动画是大概的原理。
中子打在样品上面,经过样品里面的原子和分子的散射之后被探测器探测到。
基本原理非常简单,但是利用这个原理我们可以做很多有趣的实验。
如何获得中子
获得中子并不是一件简单的事。
因为中子在原子核里,要从原子核里面把它打出来并不是件容易的事。
这就是为什么并不是每一个学校都配备有中子源的原因,实际上全世界的中子源都不多。
从这张图中,我们看到全世界中子源的主要分布在发达国家,因为它的造价非常高。
我们看到中子源主要分布在美国,欧洲、日本、中国,澳大利亚也都有分布。中国一共有三台中子源。
中子源一共有两种,其中最重要的、用得最多的就是反应堆中子源。
中国的三台中子源里面有两台是反应堆中子源,世界上大部分的中子源也都是反应堆中子源。
上图是反应堆中子源的照片。
因为水是一种很好的中子吸收剂,所以一般的反应堆中子源都是放在类似游泳池的地方,北京就有一个反应堆中子源。
另一个反应堆中子源在绵阳,叫中国绵阳研究堆。
离我们最近的一个中子源就在北京,在房山的原子能院。
所以,其实我们离反应堆很近,但是大家不要怕,因为反应堆是非常安全的。
另外一种中子源叫散裂中子源。
因为中子不带电,所以我们把质子加速到非常高的能量,用它轰击靶核,瞬间产生大量的中子。
散裂中子源的造价比较高,全世界正在运行的只有4台,美国散裂中子源是第一台。
上图是日本的散裂中子源和英国的散裂中子源。
第四台是中国的散裂中子源,在广东东莞,2018年刚刚建成开始运行,现在已经开始接收用户。
散裂中子源是大国重器,占地很大,它的内部是这样的。下面的两张照片是加速器,还有一个重要的装置叫做谱仪(见上图)。
上图中,头两张照片是我在美国工作时的照片,左上角是从反应堆引出来的中子束线,右边是谱仪。
左下角是在中国绵阳,我们九院自己的反应堆那边的一个小角散射谱仪。
右下角是我在东莞的一个小角散射谱仪探测器前面拍的照片。
我们用这么大的仪器,观测的却是非常小的原子、分子尺度的物质,可以说是用大仪器看小科学。
用中子散射给蛋白质拍电影
我的主要工作是用中子散射给蛋白质拍电影。
(上面)这些照片都是我带学生在国内和国外去各个中子源做实验时拍摄的。
文章来源:《中国病原生物学杂志》 网址: http://www.zgbyswxzz.cn/zonghexinwen/2021/0310/496.html