东方科技论坛第105次学术研讨会

东方科技论坛第105次学术研讨会 同步辐射X射线微探针和显微技术及其应用 会议执行主席:徐洪杰、麦振洪 由中国科学院上海应用物理研究所承办的东方科技论坛第105期研讨会，于2007年12月16日至17日在上海应用物理所学术活动中心举行。中国科学院上海应用物理研究所所长、上海光源工程总经理徐洪杰研究员和中国晶体学会副理事长、中国物理学会X射线衍射专业委员会主任、中国科学院物理研究所麦振洪研究员共同担任会议执行主席。来自美国阿贡国家实验、美国Advanced Photon Source(APS)、美国Advanced Light Source(ALS)、日本SPring—8/RIKEN 研究中心、欧洲European Synchrotron Radiation Facility(ESRF)、美国Xradia公司、香港城市大学、中科院高能物理研究所、中国科技大学、中科院物理研究所、国家纳米科技中心、中科院生态环境研究中心、上海硅酸盐研究所、复旦大学、浙江大学、同济大学、东华大学和上海应用物理研究所的60余位专家参加本次研讨会。 自被发现之日起，X射线即被广泛用于物质的形态、成分和结构等信息，目前同步辐射X射线微探针和显微技术已经成为探测物质微观世界、研究物质特性的强有力工具。目前，在国际上第3代同步辐射光源中，均建有高性能X射线微探针和显微光束线站，相关的实验技术和科学研究应用都在迅猛发展。近年来，由于纳米、细胞生物学和微电子等方面研究需求的推动，在国外第3代同步辐射光源上，新一代的X射线纳米探针光束线站的建设也被提上了日程。上海光源正在建设硬X射线微聚焦及应用光束线站和软X 射线谱学显微光束线站，将分别实现100纳米—5微米的硬X射线聚焦光束和40纳米的软X射线聚焦光束，并将具备X射线谱学、X射线散射和X射线成像等强大的实验功能。上述装置的建成，将使我国在X射线微探针和显微技术及其应用领域得到迅速发展，适时就这一领域的研究状况、存在的问题与发展方向进行多方位研讨是十分必要的。 本次论坛旨在研讨国内外同步辐射X射线微探针和显微技术及其应用的现状与发展趋势，讨论思考我国基础研究和应用研究的需求和同步辐射X射线微探针和显微技术及应用的发展方向，探讨如何更好地利用上海光源建设的契机，推动国内同步辐射X射线微探针和显微技术的快速发展，使其在多学科的研究中发挥重要作用。 1、同步辐射X射线微探针和显微的现状和发展趋势 中科院上海应用物理研究所所长、上海光源总经理徐洪杰研究员作了“上海光源的科学发展规划”的。报告中介绍了上海应用物理所的学科布局和取得的科研成果，以及上海光源的首批七条光束线站开展的实验方法和光束线性能指标，并重点介绍了X射线微聚焦及应用光束线站和软X 射线谱学显微光束线站，展望了上海光源近期和长期的发展规划。 来自日本Spring—8/RIKEN研究中心的Tetsuya Ishikawa 教授作了“Spring—8的纳米分辨成像研究和日本自由电子激光项目”的报告。Ishikawa 教授强调X射线显微学现在已经从microscopy发展到nanoscopy。介绍了在日本Spring—8利用K—B聚焦镜实现了30nm ? 25nm聚焦光斑的进展，介绍了X射线纳米探针装置在探测细胞内元素分布及研究肺癌细胞对抗癌药物CDDP的敏感性和抗药性中的应用。报告还介绍了Spring—8开展的纳米分辨相干散射研究，以及了日本下一代光源—日本自由电子激光的进展情况。 来自美国阿贡国家实验室(ANL)纳米尺度材料中心的Eric D. Isaacs教授作了“纳米科学和X射线—X射线纳米探针”的报告。介绍了ANL纳米尺度材料中心在美国APS同步辐 射光源上建造的硬X射线纳米探针装置，空间分辨率可以达到30nm。以纳米磁性材料、纳米铁电材料、光电器件、纳米生物成像、纳米自组装结构和纳米催化剂等方面的研究为例，描绘了X射线纳米探针的应用前景以及X射线纳米探针在纳米科学研究中应用面临的技术挑战。 来自美国Xridia公司的Wenbing Yun博士作了“针对纳米科学的X射线成像”的报告。认为纳米X射线CT是实现纳米尺度成像的重要方法，报告中介绍了这种方法应用于集成电路、材料和生物领域具体实例。波带片是实现纳米X射线CT的一个关键部件，目前Xridia已经可以制造出最外环带宽为32nm厚度450nm的金波带片，以及最外环带宽为24nm厚度为350纳米的波带片。采用永久性粘合排列技术，可以将两个相同的波带片粘合在一起，从而成倍提高波带片的有效厚度，将波带片的应用能量范围推向高能。另外，Xridia也在发展椭圆形单毛细管用于全场成像时样品照明。 来自欧洲同步辐射装置(ESRF)的 Jean Susini博士作了“硬X射线显微的新趋势:面向多种方法”的报告。就微束应用的几种方法，荧光谱、近边吸收谱、高空间分辨、2维和3维荧光CT、2维和3维衍射CT在ESRF的ID21、ID22、ID18F光束线站的组合应用情况进行介绍，并给出了具体的应用实例。在这几条光束线站中最主要的应用领域是地球和行星科学、考古学、生命科学以及环境科学，而原位和非侵入式的研究手段是上述研究领域的共同需要。在报告中介绍了ID22NI实验站正在发展的多用途纳米成像设备，其采用K—B镜聚焦可以达到76nm×84nm的光斑，已经应用到星际灰尘研究等方面，并取得了十分有意义的结果。 来自美国ALS的Tolek Tyliszczak博士作了题为“ALS的X射线扫描透射显微镜” 的报告。在ALS有两条X射线扫描显微光束线，Polymer STXM (Bl 5.3.2)和MES STXM(Bl 11.0.2)光束线。前者使用弯铁光源，能量为250eV – 600eV;后者使用EPU插入件光源，能量范围从80—2100eV,可以使用外加磁场，光斑尺寸可以达到30nm. Bl 11.0.2光束线站,其能量范围适合对样品中有机和无机成份同时分析，因此环境科学和生物学的用户占大多数，用户需求机时和实际给予机时为4:1，是ALS最难申请机时的光束线，仅在2007年就有30多篇论文发表。在报告中介绍了在Bl 11.0.2光束线站在生物、环境和材料研究中所取得的一系列重要的研究成果，其中关于磁涡流中心反转的研究发表在2006年444期的Nature上。 来自中科院高能所的朱佩平研究员作了“北京同步辐射纳米分辨成像显微镜物理设计报告”。介绍了北京同步辐射全场成像显微镜的物理设计情况，其设计能量为5—12 keV,分辨率为30nm。 来自中国科技大学同步辐射实验室的田扬超教授作了“合肥光源高空间分辨X射线成像进展”的报告。报告介绍了合肥光源的X射线成像光束线进展情况。光学设计上采用全场透射成像的设计，目前光束线改造工作已经完成。初步实验实现了50nm空间分辨率的吸收和相衬成像。 来自同济大学精密光学技术研究所的王占山教授作了“同步辐射X射线微探针和显微技术用光学元件”的报告。就同步辐射X射线微探针和显微用的反射元件、衍射元件、X射线复合折射透镜和X射线波导分别介绍了国际上最新的进展情况。建议上海光源建立专门的X射线光学实验室，在近期开展光学加工技术、多层膜制作技术、复合折射透镜研制以及微制作技术的研究工作。 2、同步辐射微探针和显微技术的应用研究 来自美国APS的Zhonghou Cai博士作了“X射线微/纳衍射和应用”的报告。利用APS 2—ID—D光束线180—200nm的光斑，开展了多项微/纳衍射成像的研究工作。在报告中介绍了微/纳衍射成像方法应用在微结构、晶体相、晶格应力、超晶格结构、长波(电荷密度 波/自旋密度波)调制以及纳米材料研究中的实例，指出微/纳衍射成像的方法已经成为材料研究的有力工具。 来自美国APS的Barry Lai博士作了“硬X射线扫描微/纳探针在生物医学中的应用”的报告。报告介绍了APS扫描微探针光束线的基本情况。由于金属微量元素在蛋白质中具有至关重要的作用，一些金属微量元素的浓度与某些疾病相关，某些金属微量元素是一些治疗药物的重要成份，以及某些金属纳米合成物可以作为细胞内标记和输运的工具，因此金属微量元素在生物学和生命科学研究中具有重要意义。报告列举了硬X射线扫描微/纳探针在生物医学领域研究金属微量元素的实例。他认为X射线扫描探针在将来的生物医学研究还中需要进一步解决以下几方面的问题:样品的低温保护，达到10—20nm的光斑尺寸，光斑的高稳定性，以及具有3维成像能力。 来自中科院生态环境研究中心的朱永官研究员作了“利用同步辐射微探针技术研究土壤—植物体系”的报告。报告介绍了利用同步辐射微探针技术研究土壤—植物体系中微量元素的工作。以As为例，利用同步辐射X射线微束荧光谱、吸收谱以及显微成像深入研究了As在土壤中的吸附、AS的氧化过程、在水稻根系中的化学截存、在大米中的分布以及在超富集植物蜈蚣草中的分布和化学态。 来自东华大学纤维材料国家重点实验室的余木火教授作了“同步辐射在高性能纤维成型过程结构演变与控制研究中的应用”。报告介绍了高性能纤维的国家需求，国内外产业发展现状，以及国内研究和工程化现状。指出目前在高性能纤维研究过程中缺少对基本科学问题系统的研究，以及质量稳定控制技术和在线检测技术。建议上海光源建立高性能纤维(高分子、软物质)研究专用线，并且配备充足的辅助配件。 来自中国科技大学同步辐射实验室的高琛教授作了“X射线微探针技术在多铁性材料的组合研究中的应用前景”。报告介绍了在MgO单晶基底上生长压电材料PbTiO3和磁致收缩材料CoFe2O4的组合多层膜，利用同步辐射微束XRD对组合多层膜进行局域显微结构的研究。此外还可以用极化的软X射线研究多铁材料的3d电子的特性。这些研究表明，基于同步辐射的X射线探针是研究组合材料的有力工具。 中科院上海应用物理所黄庆研究员作了“在生物细胞内的金属纳米颗粒”的报告。报告介绍了纳米颗粒的生物安全问题，以及纳米金具有转运DNA/RNA的能力。因此希望利用同步辐射微/纳束探针来研究TiO2在细胞内的分布情况，细胞经过含Cd的量子点材料处理后细胞内Cd2+的浓度，纳米金颗粒与DNA片段结合进入细胞后的定位情况，以及海马神经细胞内蛋白质的定位情况。 建议: 1、建议成立由多学科用户专家组成的工作组，经常性地就同步辐射X射线微探针和显微方法的学科发展和应用研究课题组织研讨，提出建议;加强与国外同类装置的合作，与若干国外同类装置建立长期稳定和紧密的合作关系，促进上海光源X射线微探针和显微装置的发展和实验室建设;对国内科学家利用国外装置开展研究提供专项支持。 2、由于上海光源首批线站经费投入的限制以及国内原有技术积累薄弱，目前在建的X射线微探针装置在技术指标上距离国际最先进水平有一定差距，在实验条件上差距尤为明显，建议重视X射线微探针装置后续的改进，为满足纳米尺度空间分辨研究的需要创造良好的实验条件。 3、建议上海光源充分利用高亮度光源的优势，考虑到研究领域和实验手段的差异，规划建设若干有不同侧重的X射线微探针和显微光束线站。 4、国内发展高性能X射线微探针和显微装置受到光学元件、精密机械、探测器、光电技术和实验室环境控制等方面技术能力的严重限制，这些技术限制对国内科研设备研制来说具有 普遍性，目前主要设备和技术以来国外。考虑到X射线微探针和显微装置和方法在国内的持 续发展，建议有选择性地支持在上述技术领域开展技术攻关。