Fysiker från Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg) har utvecklat en metod för att förbättra kvaliteten på röntgenbilder jämfört med konventionella metoder. Tekniken, osammanhängande diffraktiv avbildning (IDI), kan avbilda enskilda atomer i nanokristaller eller molekyler snabbare och med en mycket högre upplösning.

I mer än 100 år har Röntgenstrålar har använts i kristallografi för att bestämma molekylernas struktur. Kärnan i metoden är principerna för diffraktion och superposition, som alla vågor är utsatta för:Ljusvågor bestående av fotoner avböjs av atomerna i kristallen och överlappar varandra som vattenvågor som genereras av hinder i en långsamt flödande ström. Om ett tillräckligt antal av dessa fotoner kan mätas med en detektor, ett karakteristiskt diffraktionsmönster eller vågmönster erhålls, varifrån kristallens atomstruktur kan härledas. Detta kräver att fotoner sprids sammanhängande, vilket betyder att det finns ett tydligt fasförhållande mellan infallande och reflekterade fotoner. För att stanna med vattenanalogin, detta motsvarar vattenvågor som avböjs från hindren utan virvlar eller turbulenser. Om foton spridning är inkoherent, fastfasförhållandet mellan de spridda fotonerna sprids, vilket gör det omöjligt att bestämma atomernas placering, precis som i turbulenta vatten.

Men koherent diffraktiv avbildning har också ett problem:"Med röntgenstrålning, i de flesta fall dominerar osammanhängande spridning, till exempel, i form av fluorescens till följd av fotonabsorption och efterföljande emission, säger Anton Classen, medlem i FAU -arbetsgruppen Quantum Optics and Quantum Information. "Detta skapar en diffus bakgrund som inte kan användas för koherent avbildning och minskar reproduktionstroheten hos koherenta metoder."

Använda osammanhängande strålning

Det är just denna till synes oönskade osammanhängande strålning som är nyckeln till FAU -forskarnas nya bildteknik. "I vår metod, de osammanhängande spridda röntgenfotonerna spelas inte in under en längre tid, men i tidsupplösta korta ögonblicksbilder, "säger professor Joachim von Zanthier." När man analyserade ögonblicksbilderna individuellt, informationen om atomernas arrangemang kan erhållas. "

Tricket är att ljusdiffraktionen fortfarande är koherent inom korta sekvenser. Dock, detta är endast möjligt med extremt korta röntgenblixtar med en varaktighet på högst några få femtosekunder-det vill säga några kvadriljondelar av en sekund-som bara har uppnåtts nyligen med hjälp av frielektronlasrar som den europeiska XFEL i Hamburg eller Linac Coherent Light Source (LCLS) i Kalifornien.

Det är möjligt att visualisera enskilda molekyler

Eftersom den nya metoden använder fluorescensljus, en mycket starkare signal kan erhållas, som också sprids till betydligt större vinklar, få mer detaljerad rumslig information. Dessutom, filter kan endast användas för att mäta ljuset för specifika atomarter. Detta gör det möjligt att bestämma positionen för enskilda atomer i molekyler och proteiner med en betydligt högre upplösning jämfört med koherent avbildning med röntgenljus med samma våglängd. Denna metod kan förbättra studiet av proteiner inom strukturbiologi och medicin.