近日，位于张江的上海软X射线自由电子激光装置内传出重磅消息：继实现532米X射线自由电子激光装置的全线调试贯通、带光运行后，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置于6月21日凌晨首次实现了2.4纳米单发激光脉冲的相干衍射成像，获得了首批实验数据，并完成了对衍射图样的快速图像重建。这意味着我国首次获得飞秒级成像X光照片，具备了为分子“拍电影”的实力。

上海软X射线自由电子激光装置调试工作连续取得突破性进展、整体性能表现出的先进性，都标志着我国在软X射线自由电子激光研制和使用方面已步入国际先进行列。

据介绍，由上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构与功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置共同构成的我国首台X射线自由电子激光装置，拟于明年面向全世界开放运行。

峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上

飞秒量级意味着什么？成像时间尺度可达到1秒的1000万亿分之一。与第三代同步辐射光源上海光源相比，软X射线自由电子激光装置拥有更快的脉冲——从皮秒提升到飞秒级，以及更高的亮度——增强了约10亿倍。“我们现在可以研究飞秒量级的动态过程，上海光源是给静止分子拍照片，X射线自由电子激光装置可以给运动分子拍照片和拍电影。“上海科技大学教授、大科学中心主任、活细胞结构与功能成像等线站工程总经理刘志解释道。

据了解，基于该成果，活细胞结构与功能成像等线站工程暨上海软X射线自由电子激光装置成为了国际上目前少数实现“水窗”波段相干衍射成像实验的自由电子激光装置之一。

“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段。在此波段内，水不吸收X射线，对X射线相对透明。但是碳元素等构成生物细胞的重要元素，仍会与X射线相互作用，因而水窗波段的X射线可用于活体生物细胞的显微成像等，具有重要的科学意义和应用价值。

“如果将细胞比作一个城市，细胞器就像是散落在各个角落的居民小区、楼宇等，通过我们的装置可以把城市和里面里人群的流动看清楚，成像后等于看清了生命体。”刘志说。

据悉，在水窗波段，自由电子激光脉冲的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，具备横向和纵向相干性，不仅能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具，同时可为在建的上海硬X射线自由电子激光装置技术研发提供支撑。

最先进的光源带来前所未有的能力

作为我国首台X射线自由电子激光装置，上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构与功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置共同构成，两个项目同步建设，有机衔接。该装置将与已建成的上海同步辐射光源、超强超短激光装置和在建的硬X射线自由电子激光装置等一起，在浦东张江构建具有全球影响力的光子科学设施集群和光子科学研究中心。

“此次进展也是中国首次实现单脉冲X光可完成一个实验，在一瞬间（飞秒级）以原子尺度的精度测量一个体系是我们自由电子激光领域的最终梦想。”刘志说，“随着硬X射线自由电子装置等在张江形成集聚效应后，将给最先进的光源带来前所未有的能力。”

据悉，活细胞结构与功能成像等线站工程由上海科技大学、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院上海高等研究院团队共同建设。据上海科技大学教授、活细胞结构与功能成像等线站工程副经理江怀东介绍，该线站含用户波荡器束线、活细胞成像束线、生物成像实验站、活细胞荧光超分辨显微镜站、超快物理实验站、超快化学实验站、分子动态成像实验站及实验辅助设施。

“这些设施都将为我国今后开展生物活体细胞成像、新材料动态结构分析以及多物理场原位成像等前沿科学研究打下了基础。”江怀东说，“随着其他线站的逐步开通，预计整个装置将预计在今年内完成验收。”

据悉，该台X射线自由电子激光装置计划于明年开放运行。在目前调试工作的基础上，研究团队正在进一步优化装置参数和性能。