同步辐射打开微观世界
随着科学的不断发展，人类掌握光源的能力也越来越强，同步辐射就是一种现代科技带来的神奇光源。这种光源与核裂变发光、热电子发光、荧光粉发光、光电二级管发光不同，制造这种光源的设备极为庞大，通常一座同步辐射光源的占地面积有5～10个足球场大小。同步辐射的光覆盖频段极宽——从远红外线到硬X射线波段，是人们研究微观物质世界的一副神奇的 “眼镜”。科学家们利用这副“眼镜”研究各种重要的蛋白质结构、超导材料的微观结构、电池材料的微观结构、蜘蛛丝的微观结构……
同步辐射光源的发现
同步辐射是一种电磁辐射，更为准确地说，它是一种基于电子相对论效应的辐射发光。同步辐射存在于宇宙空间中，在超新星爆发时，星际带电云团在磁场的作用下发生旋转并会产生同步辐射。而在地球上，同步辐射真正用于科学研究是在同步加速器上发现辐射光之后才开始的。
1947年4月24日，美国通用电气公司的几位科学家在操作一台70 MeV同步加速器时，突然发现在真空腔上出现了一道耀眼的淡蓝色弧形光。他们意识到这道光是同步辐射，很快就发表了题目为《来自于同步加速器中电子的辐射》的论文，得到了学界的认可。
, 百拇医药
经过若干年的研究，人们逐渐发现了同步辐射的神奇之处：首先，它具有很宽的光谱，目前没有任何一种光源能和同步辐射相媲美。太阳光辐射到地面上的波长范围多数集中在红外线到可见光区域。而同步辐射的光谱则涵盖了远红外线到硬X射线波段，对应能量从几毫电子伏到几万电子伏。从能量所对应的波长来看，同步辐射对应的尺度范围从微米级细胞的尺度一直到埃级(1埃=10-10米)原子的尺度。
同步辐射装置包含几个重要的组成部分：一是光源，即加速器以及插入件；二是光束线，即利用各种光学部件将同步辐射引入到实验平台上的管道；三是实验站，即实验平台，各个实验站的功能各有特色，一个同步辐射装置能够同时进行几十个实验。因此，可以说全世界的同步辐射实验平台组成了世界上最大、研究课题最广、研究领域最丰富的多学科实验室。
推动蛋白质晶体学革命
1964年，英国科学家霍奇金因测定抗恶性贫血的生化化合物的基本结构而荣获诺贝尔化学奖，开创了蛋白质晶体学。在霍奇金的年代只能利用普通的X光管产生的X射线来解析晶体结构，如果解析复杂的生物大分子晶体则耗时极长。胰岛素是治疗糖尿病的关键药物，但利用X光管来解析晶体结构耗时很长，1969年，在霍奇金获得诺贝尔奖5年后，他才着手研究胰岛素晶体结构。但幸运的是，一年之后(1970年)德国汉堡的科学家完成了同步辐射在生物样品中的衍射研究，在同步辐射的帮助下，霍奇金很快解析出了胰岛素的三级晶体结构。
, 百拇医药
称同步辐射为诺贝尔奖的摇篮一点也不为过。1988年，德国科学家约翰·戴森霍费尔等人利用同步辐射测定细菌光合反应中心膜蛋白的晶体结构，最终获得诺贝尔奖。英国科学家约翰·沃克利用英国本土的同步辐射光源，解析出三磷酸腺苷膜蛋白的结构，因而获得1997年的诺贝尔奖。进入21世纪之后，科学界对同步辐射光源的利用更加普遍，在大“眼镜”的辅助下，2003年、2006年、2009年的诺贝尔化学奖均花落蛋白质晶体学领域。该领域最近的获奖者则是美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡，他们在2012年因G蛋白偶联受体研究获奖。
为什么蛋白质晶体研究必须要利用同步辐射呢？原来对于蛋白质晶体研究来说，长时间辐照会导致蛋白质死亡，无法获得其结构。但同步辐射比普通X射线光源强度高，能够在蛋白质死亡前获得晶体衍射数据，从而获知蛋白质的结构。目前，在著名的蛋白质数据库中已经有8万余条珍贵信息，其中大多数晶体结构都是靠同步辐射装置解析得到的。
在中国，同步辐射装置在蛋白质前沿研究方面也有贡献，如饶子和院士对SARS病毒结构的解析，清华大学施一公教授的基因组改造技术等。随着同步辐射光亮度、准直性的大幅度提高，未来会有越来越多的蛋白质结构被解析，而这种解析对于设计药物有着至关重要的指导作用。
, 百拇医药
古生物学家的隐形手术刀
在人类出现之前，地球上已经存在着丰富多姿的生命形态，古生物学的目标就是解开这些遥远时空中的生命之谜。2006年，我国古生物学家陈均远教授利用同步辐射的微区断层扫描成像方法，对贵州瓮安挖掘出来的前寒武纪具极叶结构的胚胎化石进行了三维无损伤研究，研究结果令世界震惊。这次研究不仅证明了生命演化史上较为复杂的两侧对称动物在距今5.8亿年的瓮安动物群时代就已存在，而且表明它们在那个时候就开始分化，证实了达尔文进化论的猜想。在此之前，研究人员利用扫描电镜等手段对化石进行研究，但是由于扫描电镜对样品的穿透深度有限，通常需要将化石切成极薄的片状物才可以观察，这样势必导致化石被破坏，会遗漏重要的生物信息。同步辐射断层扫描成像的最大优点就在于无损探测。这就相当于医生不需要开刀，通过CT技术就能判断患者体内是否有病症。同步辐射断层扫描方法的空间分辨率更高，是医用CT的1000倍，可以看到更细微的结构。另外，同步辐射光源具有极高的亮度，能够达到更好的成像衬度，将极其细小的物质结构展现给我们。
, 百拇医药
法国夏朗德附近曾发现过大量白垩纪中期的动物化石，总共356种化石中都夹杂完全不透明的琥珀，而这种不透明的包裹物是一个很大的研究障碍。2008年，古生物学家利用同步辐射的相位衬度微区造影术，立刻将这些像石头一样的、深黑色琥珀所包裹的内部物质展现出来了，科学家们对这356种动物化石中的640块琥珀进行了造影，发现有苍蝇、蚂蚁、蜘蛛、螨等。同步辐射解决了古生物学家头疼了若干年的大难题，也为人类进一步了解古生物的秘密提供了一把隐形手术刀。
助力高压学，创造超级材料
高压技术能使材料呈现更多独特的电学、磁学、力学性能。从20世纪90年代以来，同步辐射在高压学科中发挥着极其重要的作用。美籍华人毛河光院士在美国芝加哥的先进光源上建立了高压合作团队，利用多种同步辐射方法，研究了多种材料在高压条件下的奇异性质，开创了利用同步辐射实验方法研究高压材料的先河，引起世界瞩目。
为什么要用同步辐射方法来研究高压下的材料结构？这是因为高压研究的样品尺寸在几十微米量级，只有将X射线聚焦到这样的尺寸才能进行研究。同步辐射亮度高，聚焦到极小的尺寸，光密度也很高，能够更精确地展现材料的结构，从而预测新材料合成的条件。高压学科有一个亟待突破的领域，即利用高压技术压缩氢气生成金属氢，这一研究的突破被人们认为很有可能获得诺贝尔奖。
, 百拇医药
探寻环境中的重金属
目前，环境污染中的重金属污染尤为严重，重金属具有富集性，很难在环境中降解。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，对人体会造成很大的危害。
汞是对环境及生物有严重危害的重金属元素之一。我国是汞生产、消费和排放大国，近年来，中科院高能所依托同步辐射装置研究了汞的形态，揭示了利用硒除汞的机理。我国科学家陈同斌曾发现过一种能够富集砷的植物，叫蜈蚣草。他和合作者利用北京同步辐射装置的X射线吸收谱学方法，发现了这种草富集砷的分布情况，解决了砷污染土壤植物修复问题。这一植物修复工程在云南和广西都开展了相关的产业化示范工作。国际上有科学家利用同步辐射研究稻米等农作物，结果发现有些污染物(如汞、砷)都富集在稻米的外层，而稻米内层则富含极具营养的铁和钙。稻米上的重金属污染研究正是利用了同步辐射的X射线微区荧光扫描法，在微米尺度上揭示了重金属污染的分布情况。这一发现对于人们辨别稻米质量、降低摄入性中毒的几率都具有极其重要的意义。
在环境学科里，同步辐射方法的应用尚处于探索时期，但笔者坚信，会有越来越多的环境问题需要同步辐射这个“火眼金睛”帮忙，最终找到解决污染的办法。
【责任编辑】张小萌, 百拇医药(徐伟)
同步辐射光源的发现
同步辐射是一种电磁辐射，更为准确地说，它是一种基于电子相对论效应的辐射发光。同步辐射存在于宇宙空间中，在超新星爆发时，星际带电云团在磁场的作用下发生旋转并会产生同步辐射。而在地球上，同步辐射真正用于科学研究是在同步加速器上发现辐射光之后才开始的。
1947年4月24日，美国通用电气公司的几位科学家在操作一台70 MeV同步加速器时，突然发现在真空腔上出现了一道耀眼的淡蓝色弧形光。他们意识到这道光是同步辐射，很快就发表了题目为《来自于同步加速器中电子的辐射》的论文，得到了学界的认可。
, 百拇医药
经过若干年的研究，人们逐渐发现了同步辐射的神奇之处：首先，它具有很宽的光谱，目前没有任何一种光源能和同步辐射相媲美。太阳光辐射到地面上的波长范围多数集中在红外线到可见光区域。而同步辐射的光谱则涵盖了远红外线到硬X射线波段，对应能量从几毫电子伏到几万电子伏。从能量所对应的波长来看，同步辐射对应的尺度范围从微米级细胞的尺度一直到埃级(1埃=10-10米)原子的尺度。
同步辐射装置包含几个重要的组成部分：一是光源，即加速器以及插入件；二是光束线，即利用各种光学部件将同步辐射引入到实验平台上的管道；三是实验站，即实验平台，各个实验站的功能各有特色，一个同步辐射装置能够同时进行几十个实验。因此，可以说全世界的同步辐射实验平台组成了世界上最大、研究课题最广、研究领域最丰富的多学科实验室。
推动蛋白质晶体学革命
1964年，英国科学家霍奇金因测定抗恶性贫血的生化化合物的基本结构而荣获诺贝尔化学奖，开创了蛋白质晶体学。在霍奇金的年代只能利用普通的X光管产生的X射线来解析晶体结构，如果解析复杂的生物大分子晶体则耗时极长。胰岛素是治疗糖尿病的关键药物，但利用X光管来解析晶体结构耗时很长，1969年，在霍奇金获得诺贝尔奖5年后，他才着手研究胰岛素晶体结构。但幸运的是，一年之后(1970年)德国汉堡的科学家完成了同步辐射在生物样品中的衍射研究，在同步辐射的帮助下，霍奇金很快解析出了胰岛素的三级晶体结构。
, 百拇医药
称同步辐射为诺贝尔奖的摇篮一点也不为过。1988年，德国科学家约翰·戴森霍费尔等人利用同步辐射测定细菌光合反应中心膜蛋白的晶体结构，最终获得诺贝尔奖。英国科学家约翰·沃克利用英国本土的同步辐射光源，解析出三磷酸腺苷膜蛋白的结构，因而获得1997年的诺贝尔奖。进入21世纪之后，科学界对同步辐射光源的利用更加普遍，在大“眼镜”的辅助下，2003年、2006年、2009年的诺贝尔化学奖均花落蛋白质晶体学领域。该领域最近的获奖者则是美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡，他们在2012年因G蛋白偶联受体研究获奖。
为什么蛋白质晶体研究必须要利用同步辐射呢？原来对于蛋白质晶体研究来说，长时间辐照会导致蛋白质死亡，无法获得其结构。但同步辐射比普通X射线光源强度高，能够在蛋白质死亡前获得晶体衍射数据，从而获知蛋白质的结构。目前，在著名的蛋白质数据库中已经有8万余条珍贵信息，其中大多数晶体结构都是靠同步辐射装置解析得到的。
在中国，同步辐射装置在蛋白质前沿研究方面也有贡献，如饶子和院士对SARS病毒结构的解析，清华大学施一公教授的基因组改造技术等。随着同步辐射光亮度、准直性的大幅度提高，未来会有越来越多的蛋白质结构被解析，而这种解析对于设计药物有着至关重要的指导作用。
, 百拇医药
古生物学家的隐形手术刀
在人类出现之前，地球上已经存在着丰富多姿的生命形态，古生物学的目标就是解开这些遥远时空中的生命之谜。2006年，我国古生物学家陈均远教授利用同步辐射的微区断层扫描成像方法，对贵州瓮安挖掘出来的前寒武纪具极叶结构的胚胎化石进行了三维无损伤研究，研究结果令世界震惊。这次研究不仅证明了生命演化史上较为复杂的两侧对称动物在距今5.8亿年的瓮安动物群时代就已存在，而且表明它们在那个时候就开始分化，证实了达尔文进化论的猜想。在此之前，研究人员利用扫描电镜等手段对化石进行研究，但是由于扫描电镜对样品的穿透深度有限，通常需要将化石切成极薄的片状物才可以观察，这样势必导致化石被破坏，会遗漏重要的生物信息。同步辐射断层扫描成像的最大优点就在于无损探测。这就相当于医生不需要开刀，通过CT技术就能判断患者体内是否有病症。同步辐射断层扫描方法的空间分辨率更高，是医用CT的1000倍，可以看到更细微的结构。另外，同步辐射光源具有极高的亮度，能够达到更好的成像衬度，将极其细小的物质结构展现给我们。
, 百拇医药
法国夏朗德附近曾发现过大量白垩纪中期的动物化石，总共356种化石中都夹杂完全不透明的琥珀，而这种不透明的包裹物是一个很大的研究障碍。2008年，古生物学家利用同步辐射的相位衬度微区造影术，立刻将这些像石头一样的、深黑色琥珀所包裹的内部物质展现出来了，科学家们对这356种动物化石中的640块琥珀进行了造影，发现有苍蝇、蚂蚁、蜘蛛、螨等。同步辐射解决了古生物学家头疼了若干年的大难题，也为人类进一步了解古生物的秘密提供了一把隐形手术刀。
助力高压学，创造超级材料
高压技术能使材料呈现更多独特的电学、磁学、力学性能。从20世纪90年代以来，同步辐射在高压学科中发挥着极其重要的作用。美籍华人毛河光院士在美国芝加哥的先进光源上建立了高压合作团队，利用多种同步辐射方法，研究了多种材料在高压条件下的奇异性质，开创了利用同步辐射实验方法研究高压材料的先河，引起世界瞩目。
为什么要用同步辐射方法来研究高压下的材料结构？这是因为高压研究的样品尺寸在几十微米量级，只有将X射线聚焦到这样的尺寸才能进行研究。同步辐射亮度高，聚焦到极小的尺寸，光密度也很高，能够更精确地展现材料的结构，从而预测新材料合成的条件。高压学科有一个亟待突破的领域，即利用高压技术压缩氢气生成金属氢，这一研究的突破被人们认为很有可能获得诺贝尔奖。
, 百拇医药
探寻环境中的重金属
目前，环境污染中的重金属污染尤为严重，重金属具有富集性，很难在环境中降解。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，对人体会造成很大的危害。
汞是对环境及生物有严重危害的重金属元素之一。我国是汞生产、消费和排放大国，近年来，中科院高能所依托同步辐射装置研究了汞的形态，揭示了利用硒除汞的机理。我国科学家陈同斌曾发现过一种能够富集砷的植物，叫蜈蚣草。他和合作者利用北京同步辐射装置的X射线吸收谱学方法，发现了这种草富集砷的分布情况，解决了砷污染土壤植物修复问题。这一植物修复工程在云南和广西都开展了相关的产业化示范工作。国际上有科学家利用同步辐射研究稻米等农作物，结果发现有些污染物(如汞、砷)都富集在稻米的外层，而稻米内层则富含极具营养的铁和钙。稻米上的重金属污染研究正是利用了同步辐射的X射线微区荧光扫描法，在微米尺度上揭示了重金属污染的分布情况。这一发现对于人们辨别稻米质量、降低摄入性中毒的几率都具有极其重要的意义。
在环境学科里，同步辐射方法的应用尚处于探索时期，但笔者坚信，会有越来越多的环境问题需要同步辐射这个“火眼金睛”帮忙，最终找到解决污染的办法。
【责任编辑】张小萌, 百拇医药(徐伟)