有些回答說X-射線激光是因為"射線強度高"就能"得到好的衍射圖樣"這個結論是怎么來的... 稍微了解一些衍射的物理常識也知道傳統X-射線衍射中, 提升射線強度也很容易的. X-射線激光之所以牛逼, 絕對不是因為它的強度高.
基本物理背景知識:
X-射線衍射之所以能測定晶體結構是利用了晶體結構的周期性. 當晶體結構有周期性時, X-射線在晶體表面和內部發生干涉. 根據干涉圖樣, 我們可以反推出晶體的周期結構.
之所以用X-射線不能用可見光是因為X-射線的波長和晶體中一個重復的周期結構的大小相當, 用長波長的光看不到比波長更短的尺度上的結構.
當一個晶體中重復的周期結構越多, 干涉效果越強, 衍射圖樣越清晰. 因此傳統X-射線衍射測定蛋白質結構, 需要盡可能將蛋白質結成大的單晶. 這樣重復的周期結構多, X-射線的強度不需要很大也能得到很不錯的衍射譜.
在測定蛋白質結構時, X-射線的強度不能太大. 因為X-射線的能量是很高的(回憶有機化學中的很多牛逼的反應的條件是"光照"), 強度太大會使其結構很快就損壞, 來不及得到完整的衍射圖樣.
因此對于結構生物學家來說, 長一個又大又好的蛋白質單晶是其最重要, 也是最困難的工作.
但是對于有一些蛋白, 比如膜蛋白, 很難做出很好的單晶. 通常一個膜蛋白的單晶中也只有300多個重復的結構(在一般的金屬等固體中這個數量至少要多幾百萬倍). 為了得到可以分辨的衍射圖樣, 必須加很大的X-射線強度. 但是強度一大, 這些蛋白質的結構都損壞了, 得不到完整的衍射譜, 所以很長一段時間, 這種膜蛋白的結構很難用X-射線衍射測量.
不過物理學家們是很厲害的. 他們發明了一個叫"激光"的東西. 自由電子通過相干的同步輻射, 可以制造出時域寬度為飛秒([公式]秒)級別的X-射線激光. (感謝 @Wang Erdong 指正錯誤. ) 將這種高強度的高速激光打在蛋白質上, 可以在蛋白質結構損壞之前就得到大量可用的衍射圖樣, 從而測定蛋白質的結構. 這項工作最早是在2010年由德國的實驗組完成的:
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