I den nya studien, författarna överlagrade spritt röntgenljus från mimiviruset med spritt röntgenljus från en referensfär (huvudbild). Krökningen i de överlagrade bilderna från de två objekten gav djupinformation och detaljer om virusets form. Bilden i det nedre högra hörnet är en holografisk rekonstruktion av viruset baserat på röntgendiffraktionsmönstren som samlats in under experimentet. Kredit:Anatoli Ulmer och Tais Gorkhover / The Technical University of Berlin och SLAC National Accelerator Laboratory
Holografi, som fotografering, är ett sätt att spela in världen omkring oss. Båda använder ljus för att göra inspelningar, men istället för tvådimensionella bilder, hologram återger tredimensionella former. Formen härleds från mönstren som bildas efter att ljuset ricochets av ett objekt och stör en annan ljusvåg som fungerar som referens.
När den skapas med röntgenljus, holografi kan vara en extremt användbar metod för att fånga högupplösta bilder av ett nanoskalaobjekt-något som är så litet, dess storlek mäts i nanometer, eller miljarddels meter.
Än så länge, Röntgenholografi har begränsats till föremål som bildar kristaller eller förlitat sig på noggrann placering av provet på en yta. Dock, många nanostorlekar är icke-kristallina, kortlivad och mycket ömtålig. De kan också drabbas av förändringar eller skador under ett experiment när de placeras på en yta. Aerosoler, exotiska tillstånd av materia, och de minsta formerna av liv faller ofta in i dessa kategorier och är därför svåra att studera med konventionella avbildningsmetoder.
I en ny studie som presenterades på mars 2018 omslag av Nature Photonics , forskare utvecklade en ny holografisk metod som kallas in-flight holography. Med denna metod, de kunde demonstrera de första röntgenhologrammen av virus i nanostorlek som inte var fästa på någon yta.
Mönstren som behövs för att skapa bilderna togs vid Linac Coherent Light Source (LCLS), röntgenfri elektronlaser vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. Nanovirus har studerats vid LCLS utan holografisk referens, men tolkningen av röntgenbilderna krävde många steg, förlitade sig på mänsklig input och var en beräkningsmässigt utmanande uppgift.
I den nya studien, författarna överlagrade spritt röntgenljus från viruset med spritt röntgenljus från en referensnanostorlek. Krökningen i de överlagrade bilderna från de två objekten gav djupinformation och detaljer om formen på det 450 nanometer breda viruset, mimiviruset. Denna teknik förenklade tolkningen av data avsevärt.
"Istället för tusentals steg och algoritmer som eventuellt inte matchar, du har en tvåstegsprocedur där du tydligt får ut strukturen ur din bild, "säger huvudstudieförfattaren Tais Gorkhover, en Panofsky -stipendiat vid SLAC och forskare vid Stanford PULSE Institute.
Nu, forskarna kan göra sin rekonstruktion av ett prov i bråkdelar av en sekund eller ännu snabbare med den holografiska metoden.
"Innan vår studie, tolkningen av röntgenbilderna var mycket komplicerad och strukturen för nanosampler rekonstruerades långt efter själva experimentet med icke-triviala algoritmer, "säger Christoph Bostedt, en forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory och medförfattare till studien. "Med" in-flight "holografi, proceduren är mycket enkel och kan i princip utföras medan du tar data. Det här är ett riktigt genombrott. "
Illustration som visar principen för holografi under flygning. (Vänster) Röntgenstrålarna sprider ut två sfärer och bildar ett karakteristiskt diffraktionsmönster. Mönstren spelas in med hjälp av den mycket intensiva röntgenstrålen från SLAC:s röntgenlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). (Mitten) Förändringar i sfärernas storlek och avstånd återspeglas i mönstren som kan översättas direkt från enbart diffraktionen. Den mindre sfären kan fungera som en holografisk referens. (Höger) Om sfärerna flyttas ur planet, de fina linjerna i diffraktionsmönstret blir krökta. Signaturerna för referensens position och storlek gör det möjligt för forskare att rekonstruera 3D-avstånden mellan den lilla sfären (referensen) och den stora sfären. Upphovsman:Anatoli Ulmer och Tais Gorkhover / The Technical University of Berlin och SLAC National Accelerator Laboratory
"En annan fördel med holografimetoden under flygning är att den är mindre benägen för buller och för artefakter som kan visas i detektorn jämfört med icke-holografisk röntgenbildning, säger Anatoli Ulmer, en medförfattare och Ph.D. student från Technical University of Berlin i Tyskland.
I det långa loppet, forskarna förutspår att holografi under flygning kommer att erbjuda nya sätt att studera luftföroreningar, förbränning och katalytiska processer, som alla involverar nanopartiklar.
