Så kallade Fresnel-zonplattspektrometrar erbjuder nya och effektivare sätt att utföra experiment med mjuka röntgenstrålar. I en studie publicerad i tidskriften Optics Express, forskare har presenterat designen för en reflektionszonplatta som förenklar de extremt komplicerade mätningarna på kemiskt och biologiskt relevanta system som hittills varit svåra att genomföra. En andra studie, publiceras i tidskriften Vetenskapliga rapporter , presenterar en spektrometer som använder en transmissionszonplatta, som kan användas för att utföra komplexa undersökningar av sådana system i ett litet antal steg. Dessa studier utfördes av forskare som arbetar vid DESY, Helmholtz Center for Materials and Energy i Berlin, Paul Scherrer Institutet i Schweiz och Göttingen Campus (Göttingen University och Max Planck Institute for Biophysical Chemistry).

Att studera materials elektroniska struktur kan vara användbart inom en rad olika vetenskapliga områden. "Vi kan använda elektronernas struktur eller elektronkonfigurationen av ett system för att härleda sådana saker som bindningstillståndet för enskilda kemiska element, även i oordnade material, " säger DESYs Zhong Yin, som spelade en central roll i båda studierna. En metod för att undersöka denna struktur är känd som resonant oelastisk röntgenspridning (eller "RIXS"), en flerdimensionell metod för röntgenspektroskopi. I denna metod, elektronerna i ett prov exciteras med hjälp av röntgenstrålar och avger sedan i sin tur själva högenergiröntgenstrålar. Varje kemiskt element producerar ett karakteristiskt mönster av röntgenexcitationer och emissioner, med specifika energinivåer över tid. Detta mönster kan avläsas genom att variera röntgenstrålningens excitationsenergi och sedan använda optiska system för att styra röntgenfotoner som sänds ut till en detektor och för att separera dem efter våglängd.

Ett problem med denna procedur är att särskilt lättare element, som spelar en viktig roll inom biologin, avger endast mycket lite strålning när de är exciterade. "I komplexa kemiska och biokemiska reaktioner som sker inuti vätskor, konventionella RIXS-metoder kan ge viktig och detaljerad information om befintliga elektroniska strukturer, tack vare deras spektralupplösning. Dock, proverna måste finnas i stora mängder, och detta betyder att det kan vara mycket dyrt och komplicerat att utföra RIXS-mätningar på biologiskt relevanta system. " förklarar DESYs ledande forskare Simone Techert, som är professor vid universitetet i Göttingen och som ansvarade för implementeringen av zonplattorna, den kemiska miljön och analysen. "De nya reflektions- och transmissionszonplattspektrometrarna kan kombineras med vätskestrålar, eller andra snabbt utbytbara provmiljöer, för att möjliggöra avsevärt effektivare RIXS-undersökningar av lågkoncentrationsprover inom området mjuka röntgenstrålar, som kan användas för att studera prover som består av kol och kväve."

Som ett optiskt verktyg, reflektionszonsplattor är allround:de kan reflektera optiskt ljus eller röntgenstrålar samtidigt som de fokuserar det. När det är lämpligt belyst, de kan samtidigt separera de individuella våglängderna spatialt, så att dessa kan mätas på olika platser på en detektor. "Reflexionszonsplattor är typ nästa logiska steg i röntgenoptik, säger Jens Rehanek från Paul Scherrer Institute. Tillsammans med Zhong Yin, han designade experimenten för dessa nya tillämpningar av zonplattor. "De påminner mycket om konventionella röntgenspektrometrar när det gäller hur de fungerar, men de kan fokusera ljuset inte bara på en linje, men på en enda punkt." Eftersom zonplattor dessutom är placerade närmare provet, svaga signaler kan mätas mycket mer effektivt. Forskarna använde ett knep för att komma runt en av nackdelarna med zonplattor:det smalare energiintervallet kan de användas för att mäta. De placerade zonplattan något längre från provet än vanligt, gör det möjligt för dem att mäta ett bredare spektrum av energier med en liknande hög upplösning som den för konventionella spektrometrar. "Spektrometern vi byggde med hjälp av reflektionszonplattan erbjuder hög effektivitet och en bra upplösning med hög bandbredd och kan användas för små prover, " betonar Rehanek. Både teorin och tekniken för reflektionszonplattor har utvecklats vid Institutet för nanometeroptik och teknik vid Berlin Helmholtz Center for Materials and Energy (HZB) sedan 2008 av ett team under ledning av Alexei Erko, och används inom olika områden för synkrotron- och FEL-experiment samt röntgenlabbapplikationer.

I en andra studie, forskarna utvecklade en spektrometer baserad på ett liknande optiskt system som också kan användas för att undersöka komplexa kemiska och biokemiska reaktioner. Fresnel-zonplattor kan användas inte bara för att reflektera röntgenstrålar; som transmissionszonplattor, de fokuserar också röntgenstrålningen och separerar dem i olika våglängder. Transmissionszonplattorna som tillverkas vid Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz består av ett tunt membran som är transparent för röntgenstrålar, och de fungerar ungefär som linser med synligt ljus. Forskargruppen använde dessa zonplattor för att visa att deras speciella egenskaper kan användas för att mäta strålningsspektra särskilt effektivt.

Även här, forskarna använde sig av det faktum att zonplattan kan fokusera ljus i två riktningar, gör det möjligt att utföra röntgenavbildningsmetoder med hjälp av spektral information och att registrera en enda, flerdimensionellt röntgenspektrum, en så kallad "RIXS-karta", samtidigt för flera olika infallsenergier. Detta innebär att transmissionszonplattor kan användas för att studera rumsliga skillnader i ett emitterat spektrum mycket snabbt, och till och med skapa en bild av provytan. "I princip, detta är också möjligt med en konventionell RIXS-spektrometer, säger Christian David, direktören för Institutet för nanooptik vid PSI som ansvarade för design och tillverkning av zonplattan, "men tack vare de speciella bildegenskaperna hos transmissionszonplattorna, vi kunde utföra dessa mätningar parallellt (snarare än punkt för punkt), vilket påskyndar proceduren med en faktor hundra."

Båda dessa nya utvecklingar erbjuder ett alternativ till befintliga röntgenspektrometrar. Experiment som tittar på förloppet av kemiska och biokemiska reaktioner över tid kan dra särskilt nytta av deras höga effektivitet. "Eftersom spektrometrarna bara använder ett enda optiskt system, de är mycket kompakta och därför mycket flexibla på sättet de kan användas, " säger Felix Marschall från PSI, den första författaren till studien i Vetenskapliga rapporter . Dock, de nya metoderna är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna och den potential som zonplattor erbjuder har ännu inte utnyttjats fullt ut:"Vi arbetar redan med andra studier, vilket ytterligare kommer att förbättra konfigurationen och testa ytterligare användningsområden för zonplattorna, " säger DESYs Jens Viefhaus, som övervakade testmätningarna med de nya spektrometrarna vid DESY:s röntgenkälla PETRA III.