Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har börjat bygga ett kvantförstärkt röntgenmikroskop vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Detta banbrytande mikroskop, stöds av programmet för biologisk och miljöforskning vid DOE:s Office of Science, kommer att göra det möjligt för forskare att avbilda biomolekyler som aldrig förr.

NSLS-II är en DOE Office of Science User Facility där forskare använder kraftfulla röntgenstrålar för att "se" de strukturella, kemisk, och elektronisk sammansättning av material ner till atomär skala. Anläggningens ultrastarka ljus möjliggör redan upptäckter inom biologi, hjälpa forskare att avslöja strukturerna hos proteiner för att informera läkemedelsdesign för en mängd olika sjukdomar – för att bara nämna ett exempel.

Nu, genom att utnyttja kvantegenskaperna hos röntgenstrålar, forskare vid NSLS-II kommer att kunna avbilda känsligare biomolekyler utan att offra upplösning. Medan den höga penetrationskraften hos röntgenstrålar möjliggör överlägsen upplösning för avbildningsstudier, detta kraftfulla ljus kan också skada vissa biologiska prover, som växtceller, virus, och bakterier. Lågdosröntgenstudier kan bevara dessa prover, men bildupplösningen minskar.

"Om vi ​​lyckas bygga ett kvantförstärkt röntgenmikroskop, vi kommer att kunna avbilda biomolekyler med mycket hög upplösning och en mycket låg dos av röntgenstrålar, sa Sean McSweeney, chef för strukturbiologiprogrammet vid NSLS-II.

Det kvantförstärkta röntgenmikroskopet vid NSLS-II kommer att uppnå denna anmärkningsvärda kombination av kapacitet genom en experimentell teknik som kallas spökavbildning. Jämfört med typiska röntgentekniker, som skickar en enda stråle av fotoner (ljuspartiklar) genom ett prov och till en detektor, spökavbildning kräver att röntgenstrålen delas i två strömmar av intrasslade fotoner - av vilka endast en passerar genom provet, men båda samlar in information.

"En ström går genom provet och samlas upp av en detektor som registrerar fotonerna med bra tidsupplösning, medan den andra strömmen av fotoner kodar den exakta riktningen i vilken fotonerna fortplantar sig, " sa Andrei Fluerasu, ledande strållinjeforskare vid NSLS-II:s Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) strållinje, där mikroskopet kommer att utvecklas. "Det låter som magi. Men med matematiska beräkningar, vi kommer att kunna korrelera informationen från de två strålarna."

Genom att dela strålen, provet som studeras exponeras endast för en bråkdel av röntgendosen. Och eftersom fotoner som inte passerar genom provet är korrelerade med fotoner som gör det, upplösningen för en fulldos röntgenstråle bibehålls.

Spökbildtekniker har redan utvecklats framgångsrikt med fotoner av synligt ljus, men att översätta denna teknik till röntgenljus kommer att vara en stor vetenskaplig bedrift.

Det kvantförstärkta röntgenmikroskopet vid Brookhaven Lab utvecklas vid NSLS-II:s CHX-strållinje, som valdes för sin förmåga att manipulera koherensen hos röntgenkällan, gör det möjligt för forskare att ställa in spökbildsexperimenten efter behov. CHX:s befintliga konfiguration var också tillräckligt flexibel för att rymma tillägg av ny och avancerad utrustning, som en stråldelare och en ny detektor. NSLS-II kommer att samarbeta med fysiker vid Brookhaven Lab och Stony Brook University om integreringen av dessa komplexa instrument.

"Dessa mätningar kommer att kräva bilddetektorer med bästa möjliga timingupplösning, " sa Brookhaven fysiker Andrei Nomerotski, "och det här är något vi redan använder för högenergifysikexperiment, kvantinformationsvetenskapliga projekt som kvantastrometri, och snabb optisk bildbehandling."

Det kvantförstärkta röntgenmikroskopprojektet kommer också att samarbeta med Brookhavens Computational Science Initiative (CSI) om dataanalys. Laboratoriets biologiavdelning samarbetar med NSLS-II för att designa experiment som utnyttjar de avancerade funktionerna hos detta mikroskop.

"Våra biologikollegor på Brookhaven är glada över att ge oss komplexa problem att lösa med detta nya instrument, ", sa McSweeney. "Med inblandning från fysik, Biologi, och CSI, vi har satt ihop ett utmärkt team för detta banbrytande projekt."

"Den starka samarbetsrelationen mellan biologi och NSLS-II forskare sammanför verkliga vetenskapliga problem och avancerade möjligheter, leverera banbrytande lösningar för problem i samband med DOE-uppdraget, sa John Shanklin, Ordförande för labbets biologiavdelning. "Det är en win-win situation."

Teamet planerar att gradvis integrera nya funktioner i CHX-strållinjen under de kommande två till tre åren. Projektet kommer att slutföras efter att ha demonstrerat spökbilder av objekt i mikronstorlek med en upplösning under 10 nanometer, som siktar på 2023.