EU-finansierade forskare har utvecklat en ny ultrasnabb röntgenteknik som kan revolutionera vår förståelse av struktur och funktion på atom- och molekylnivå.

Ett forskargrupp baserat i Tyskland använder en ny kompakt hård röntgenkälla för att lysa nytt ljus på viktiga frågor inom strukturbiologi.

Hittills extremt korta elektronstrålar, som har många användningsområden för vetenskaplig bildbehandling, kunde bara produceras med dyra, krafthungrig utrustning som tog ungefär en plats på en bil. Ett team på Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), den tyska synkrotronen, och Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA, har tagit fram en enhet i storleken på en tändsticksask som kan öppna en rad applikationer för akademiker och industri.

Som en del av det EU-finansierade projektet AXSIS (Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy), DESY -teamet, tillsammans med universitetet i Hamburg, använder nu denna enhet som fotoinjektor för en ny Attosecond bordsskiva fri-elektronlaser. Med detta, de spelar in korta sekvenser av kemikalier, fysiska och, framför allt, biologiska processer.

Livet är aldrig statiskt och många av de viktigaste reaktionerna inom kemi och biologi är ljusframkallade och inträffar på ultrasnabba tidsskalor, enligt forskarna. Dessa reaktioner har studerats med hög tidsupplösning främst genom ultrasnabb laserspektroskopi, men detta reducerar processens stora komplexitet till bara några reaktionskoordinater.

Revolutionerar vår förståelse

AXSIS -teamet, ledd av Franz Kaertner, Professor i fysik vid universitetet i Hamburg, har utvecklat attosekond seriell kristallografi och spektroskopi som kan ge en fullständig beskrivning av ultrasnabba processer som atomiskt löses i verkliga rymden och på det elektroniska energilandskapet. De tror att denna nya teknik kommer att vända vår förståelse av struktur och funktion på atom- och molekylnivå på huvudet och hjälpa till att upptäcka grundläggande processer inom kemi och biologi.

Tekniken innebär att man applicerar en helt koherent attosekundröntgenkälla baserad på en koherent invers Compton som sprider en frilektronkristall, utvecklat av projektet, att övervinna strålningsskadeffekter orsakade av den höga röntgenstrålning som behövs för att fånga diffraktionssignaler.

Optimering av instrumentering

Teamet använder också detta framsteg för att optimera hela instrumentationen mot grundläggande mätningar av ljusabsorption och överföring av excitationsenergi. Detta inkluderar röntgenpulsparametrar, i tandem med provleverans och kristallstorlek samt avancerade röntgendetektorer.

Det slutliga målet blir att tillämpa de nya förmågorna på några av de grundläggande problemen inom biologi, som att studera dynamiken i ljusreaktioner, elektronöverföring och proteinstruktur vid fotosyntes.

AXSIS -teamet publicerade nyligen sina fynd i tidskriften Optica . Projektet har fått nästan 14 miljoner euro i EU -finansiering och kommer att pågå fram till juli 2020.