Более 100 лет рентгеновские лучи используются в кристаллографии для определения структуры молекул. В основе метода лежат принципы дифракции и суперпозиции, которым подчиняются все волны: световые волны, состоящие из фотонов, отклоняются атомами в кристалле и перекрываются, как волны на воде, создаваемые препятствиями в медленно текущем потоке. Если достаточное количество этих фотонов может быть измерено с помощью детектора, будет получена характерная дифракционная картина или волновая картина, из которой может быть получена атомная структура кристалла.
Для этого требуется, чтобы фотоны рассеивались когерентно, а это означает, что существует четкое фазовое соотношение между падающими и отраженными фотонами. Если придерживаться аналогии с водой, это соответствует волнам на воде, которые отклоняются от препятствий без вихрей или турбулентностей. Если рассеяние фотонов некогерентно, фиксированное фазовое соотношение между рассеянными фотонами рассеивается, что делает невозможным определение расположения атомов — точно так же, как в турбулентных водах.
Когерентная визуализация имеет некоторые недостатки
Но когерентная дифракционная визуализация также имеет проблему: «В рентгеновском свете в большинстве случаев преобладает некогерентное рассеяние, например в форме флуоресценции, возникающей в результате поглощения и последующего излучения фотонов», — объясняет Антон Классен, член рабочей группы FAU Quantum. Оптика и квантовая информация. ‘Это создает диффузный фон, который нельзя использовать для когерентного изображения, и снижает точность воспроизведения когерентных методов.’
Использование некогерентного излучения
Именно это, казалось бы, нежелательное некогерентное излучение является ключом к новой методике визуализации, разработанной исследователями FAU. «В нашем методе некогерентно рассеянные рентгеновские фотоны записываются не в течение длительного периода времени, а в виде коротких снимков с временным разрешением», — объясняет профессор Иоахим фон Зантьер. ‘Анализируя снимки по отдельности, можно получить информацию о расположении атомов.Хитрость в том, что дифракция света остается когерентной в коротких последовательностях. Однако это возможно только с очень короткими рентгеновскими вспышками с длительностью не более нескольких фемтосекунд, то есть несколько квадриллионных долей секунды, что было достигнуто только недавно с использованием лазеров на свободных электронах, таких как европейский XFEL. в Гамбурге или Линаковый когерентный источник света (LCLS) в Калифорнии.
Возможна визуализация отдельных молекул
Поскольку в новом методе используется флуоресцентный свет, можно получить гораздо более сильный сигнал, чем раньше, который также рассеивается под значительно большими углами, получая более подробную пространственную информацию.
Кроме того, фильтры можно использовать для измерения света только определенных видов атомов. Это позволяет определять положение отдельных атомов в молекулах и белках со значительно более высоким разрешением по сравнению с когерентной визуализацией с использованием рентгеновского света той же длины волны.
Этот метод может дать новый импульс изучению белков в структурной биологии и медицине.