过去100年里X射线晶体学在解析物质（尤其是生物大分子）三维结构方面取得了巨大成功，包括DNA双螺旋结构、核糖体、GPCR等。然而X射线晶体学一般要求高质量大尺寸的晶体；对于无法结晶的样品，尤其是孤立的单个分子（isolated single molecule），要获得其三维结构仍然面临极大的挑战。

近期，上海交通大学张杰院士和向导教授领导的课题组利用在基金委国家重大科研仪器研制项目资助下研发的兆伏特超快电子衍射装置，结合多束超快激光相干地操控分子，证明了一种可在不结晶的条件下实现单分子结构解析的方法，并获得0.7埃的分辨率；该工作以“Ultrafast isolated molecule imaging without crystallization”为题发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》[PNAS, 119, e2122793119 (2022)]。实验中利用四束飞秒激光脉冲相干地操控分子使得分子在特定时间处于相同的取向（类似获得分子“晶体”），同时利用接近光速（0.99 c）的超短电子束成功测量到处于短暂的准直状态（时间窗口约100飞秒，1飞秒=10-15）的分子的衍射斑，再结合相干衍射成像技术反演出分子的实空间分布。

超快单分子成像原理示意图

相干衍射成像（coherent diffraction imaging）技术可利用衍射斑反演得到不具备周期结构的样品分布。由于要求单次散射仅测量一个样品的信号，因此用于单分子成像时面临极大的技术挑战，即便利用目前自由电子激光大科学装置产生的超短超强X射线，仍然无法在与单分子进行散射时获得足够信噪比的信号。传统的相干衍射成像技术之所以必须测量单个分子的衍射斑，是因为不结晶状态的多个分子的取向一般处于随机的分布，因而各个分子衍射斑的叠加会使得单个分子衍射斑的特征分布变得模糊。将多个分子的衍射斑叠加，尽管可以增强信号强度，但是却仅能获得原子间距的一维信息，无法用于三维结构重建。事实上如果分子的取向相同，则每个分子都具有相同的衍射斑，多个分子信号叠加后仍然能够维持单个分子衍射斑中的特征分布；这样便可利用多个分子同时进行散射，实现了单分子散射的信号增强。

取向随机分布的分子和取向相同的分子及产生的衍射斑

超快激光与分子相互作用时可以改变分子的取向，本实验中利用4束超快激光相干地对二氧化碳分子进行操控，使得激光焦点的空间区域内的大量分子（约1012个分子，相比单个分子的信号提高约12个量级）在约100飞秒的时间窗口内处于近乎相同的取向，形成了瞬时的分子“晶体”。得益于兆伏特超快电子衍射装置的高时间分辨率，可以在这100飞秒的短暂时间内完成对准直的分子“晶体”进行衍射成像，并成功反演出二氧化碳的原子分布（线性分子，碳-氧间距为1.13埃，氧-氧间距为2.26埃），实现了0.7埃的原子级空间分辨。

利用四束超快激光提高分子的准直度；准直状态下的衍射斑及重建的分子分布

这项工作将相干衍射成像技术拓展到单分子的尺度，实现了一种新颖的单分子结构解析方法，该方法结合三维准直及分子降温技术后，有望应用于更复杂的生物大分子结构解析。此外，将分子准直后再开展泵浦-探测实验，可实现在分子坐标系下研究分子的动力学，有望比实验室坐标系下的研究获得更多的信息。

本工作主要由国家重点研发计划（No. 2021YFA1400202），国家自然科学基金（No. 11925505, 12005132, 11504232 and 11721091）和上海市科委重大项目 (No. 16DZ2260200) 资助，上海交通大学物理与天文学院博士生马卓然、助理研究员邹晓及博士后赵凌荣为文章共同第一作者。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122793119