Røntgenbilleder med en væsentligt forbedret opløsning

Fysikere fra Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg) har udviklet en metode til at forbedre kvaliteten af ​​røntgenbilleder i forhold til konventionelle metoder. Teknikken, inkohærent diffraktiv billeddannelse (IDI), kunne afbilde individuelle atomer i nanokrystaller eller molekyler hurtigere og med en meget højere opløsning.

I mere end 100 år, Røntgenstråler er blevet brugt i krystallografi til at bestemme strukturen af ​​molekyler. Kernen i metoden er principperne for diffraktion og superposition, som alle bølger er underlagt:Lysbølger bestående af fotoner afbøjes af atomerne i krystallen og overlapper hinanden som vandbølger genereret af forhindringer i en langsomt strømmende strøm. Hvis et tilstrækkeligt antal af disse fotoner kan måles med en detektor, et karakteristisk diffraktionsmønster eller bølgemønster opnås, hvorfra krystallens atomare struktur kan udledes. Dette kræver, at fotoner er spredt sammenhængende, hvilket betyder, at der er et klart faseforhold mellem indfaldende og reflekterede fotoner. For at blive ved vandanalogien, dette svarer til vandbølger, der afbøjes fra forhindringerne uden hvirvler eller turbulenser. Hvis fotonspredning er usammenhængende, det faste faseforhold mellem de spredte fotoner spredes, hvilket gør det umuligt at bestemme arrangementet af atomerne, ligesom i turbulente farvande.

Men kohærent diffraktiv billeddannelse har også et problem:"Med røntgenlys, i de fleste tilfælde dominerer usammenhængende spredning, for eksempel, i form af fluorescens som følge af fotonabsorption og efterfølgende emission, siger Anton Classen, medlem af FAU arbejdsgruppen Kvanteoptik og kvanteinformation. "Dette skaber en diffus baggrund, der ikke kan bruges til sammenhængende billeddannelse, og reducerer reproduktionsfideliteten af ​​sammenhængende metoder."

At gøre brug af usammenhængende stråling

Det er netop denne tilsyneladende uønskede usammenhængende stråling, der er nøglen til FAU-forskernes nye billeddannelsesteknik. "I vores metode, de usammenhængende spredte røntgenfotoner optages ikke over længere tid, men i tidsløste korte øjebliksbilleder, " siger professor Joachim von Zanthier. "Når man analyserer snapshots individuelt, informationen om arrangementet af atomerne kan fås."

Tricket er, at lysdiffraktionen stadig er sammenhængende inden for korte sekvenser. Imidlertid, dette er kun muligt med ekstremt korte røntgenglimt med varighed på højst et par femtosekunder – dvs. et par kvadrilliontedele af et sekund – hvilket først er blevet opnået for nylig ved hjælp af frielektronlasere som den europæiske XFEL i Hamborg eller Linac Coherent Light Source (LCLS) i Californien.

Visualisering af enkelte molekyler er muligt

Da den nye metode bruger fluorescenslys, et meget stærkere signal kan opnås, som også er spredt til væsentligt større vinkler, få mere detaljeret rumlig information. Ud over, filtre kan kun bruges til at måle lyset fra specifikke atomarter. Dette gør det muligt at bestemme positionen af ​​individuelle atomer i molekyler og proteiner med en væsentlig højere opløsning sammenlignet med kohærent billeddannelse ved brug af røntgenlys af samme bølgelængde. Denne metode kunne forbedre studiet af proteiner i strukturel biologi og medicin.