Kvante røntgenmikroskop under udvikling

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory er begyndt at bygge et kvanteforstærket røntgenmikroskop ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Dette banebrydende mikroskop, støttet af programmet for biologisk og miljømæssig forskning på DOE's Office of Science, vil gøre det muligt for forskere at afbilde biomolekyler som aldrig før.

NSLS-II er en DOE Office of Science-brugerfacilitet, hvor forskere bruger kraftige røntgenstråler til at 'se' de strukturelle, kemisk, og elektronisk sammensætning af materialer ned til atomskalaen. Anlæggets ultrastærke lys muliggør allerede opdagelser inden for biologi, hjælper forskere med at afdække proteiners strukturer for at informere lægemiddeldesign for en række sygdomme - for blot at nævne ét eksempel.

Nu, ved at udnytte røntgenstrålernes kvanteegenskaber, forskere ved NSLS-II vil være i stand til at afbilde mere følsomme biomolekyler uden at ofre opløsning. Mens røntgenstrålernes høje gennemtrængningsevne muliggør overlegen opløsning til billedundersøgelser, dette kraftige lys kan også beskadige visse biologiske prøver, såsom planteceller, vira, og bakterier. Lavdosis røntgenundersøgelser kan bevare disse prøver, men billedopløsningen er reduceret.

"Hvis vi har succes med at bygge et kvanteforstærket røntgenmikroskop, vi vil være i stand til at afbilde biomolekyler med meget høj opløsning og en meget lav dosis røntgenstråler, " sagde Sean McSweeney, leder af strukturbiologiuddannelsen på NSLS-II.

Det kvanteforstærkede røntgenmikroskop ved NSLS-II vil opnå denne bemærkelsesværdige kombination af egenskaber gennem en eksperimentel teknik kaldet spøgelsesbilleddannelse. Sammenlignet med typiske røntgenbilledteknikker, som sender en enkelt stråle af fotoner (lyspartikler) gennem en prøve og ind på en detektor, spøgelsesbilleder kræver, at røntgenstrålen opdeles i to strømme af sammenfiltrede fotoner - hvoraf kun den ene passerer gennem prøven, men begge indsamler oplysninger.

"En strøm går gennem prøven og opsamles af en detektor, der optager fotonerne med god tidsopløsning, mens den anden strøm af fotoner koder for den nøjagtige retning, som fotonerne udbreder sig i, " sagde Andrei Fluerasu, ledende strålelinjeforsker ved NSLS-II's Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) beamline, hvor mikroskopet skal udvikles. "Det lyder som magi. Men med matematiske beregninger, vi vil være i stand til at korrelere informationen fra de to stråler."

Ved at splitte strålen, prøven, der undersøges, udsættes kun for en brøkdel af røntgendosisen. Og da de fotoner, der ikke passerer gennem prøven, er korrelerede med de fotoner, der gør, opløsningen af ​​en fulddosis røntgenstråle bibeholdes.

Spøgelsesbilledteknikker er allerede blevet udviklet med succes ved hjælp af fotoner af synligt lys, men at oversætte denne teknik til røntgenlys vil være en stor videnskabelig bedrift.

Det kvanteforstærkede røntgenmikroskop på Brookhaven Lab udvikles ved NSLS-II's CHX-strålelinje, som blev valgt for sin evne til at manipulere sammenhængen af ​​røntgenkilden, gør det muligt for videnskabsmænd at tune spøgelsesbillede-eksperimenterne efter behov. CHX's eksisterende opsætning var også fleksibel nok til at rumme tilføjelsen af ​​nyt og avanceret udstyr, såsom en stråledeler og en ny detektor. NSLS-II vil samarbejde med fysikere ved Brookhaven Lab og Stony Brook University om integrationen af ​​disse komplekse instrumenter.

"Disse målinger vil kræve billeddetektorer med den bedst mulige timing-opløsning, " sagde Brookhaven-fysiker Andrei Nomerotski, "og det er noget, vi allerede bruger til højenergifysikeksperimenter, kvanteinformationsvidenskabelige projekter som kvanteastrometri, og hurtig optisk billeddannelse."

Det kvanteforstærkede røntgenmikroskopprojektteam vil også samarbejde med Brookhavens Computational Science Initiative (CSI) om dataanalyse. Laboratoriets biologiafdeling samarbejder med NSLS-II for at designe eksperimenter, der udnytter dette mikroskops avancerede muligheder.

"Vores biologikolleger i Brookhaven er glade for at bringe os komplekse problemer, vi skal løse ved hjælp af dette nye instrument, " sagde McSweeney. "Med involvering fra fysik, Biologi, og CSI, vi har sat et fremragende team sammen til dette banebrydende projekt."

"Det stærke samarbejde mellem biologi- og NSLS-II-forskere samler videnskabelige problemer i den virkelige verden og avancerede kapaciteter, levere banebrydende løsninger på problemer i forhold til DOE-missionen, " sagde John Shanklin, Formand for laboratoriets biologiafdeling. "Det er en win-win situation."

Holdet planlægger gradvist at integrere nye funktionaliteter i CHX-strålelinjen i løbet af de næste to til tre år. Projektet vil være afsluttet efter demonstration af spøgelsesbilleder af objekter i mikronstørrelse med opløsning under 10 nanometer, som er målet for 2023.