Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg) hebben een methode ontwikkeld om de kwaliteit van röntgenbeelden te verbeteren ten opzichte van conventionele methoden. De techniek, onsamenhangende diffractieve beeldvorming (IDI), individuele atomen in nanokristallen of moleculen sneller en met een veel hogere resolutie in beeld kunnen brengen.

Al meer dan 100 jaar, Röntgenstralen zijn gebruikt in de kristallografie om de structuur van moleculen te bepalen. De kern van de methode zijn de principes van diffractie en superpositie, waaraan alle golven onderhevig zijn:Lichtgolven bestaande uit fotonen worden afgebogen door de atomen in het kristal en overlappen elkaar als watergolven die worden gegenereerd door obstakels in een langzaam stromende stroom. Als een voldoende aantal van deze fotonen kan worden gemeten met een detector, een karakteristiek diffractiepatroon of golfpatroon wordt verkregen, waaruit de atomaire structuur van het kristal kan worden afgeleid. Dit vereist dat fotonen coherent worden verstrooid, wat betekent dat er een duidelijke faserelatie is tussen invallende en gereflecteerde fotonen. Om bij de wateranalogie te blijven, dit komt overeen met watergolven die van de obstakels worden afgebogen zonder vortexen of turbulenties. Als fotonverstrooiing incoherent is, de vaste fase relatie tussen de verstrooide fotonen verspreidt, waardoor het onmogelijk is om de rangschikking van de atomen te bepalen, net als in woelige wateren.

Maar coherente diffractieve beeldvorming heeft ook een probleem:"Met röntgenlicht, in de meeste gevallen domineert onsamenhangende verstrooiing, bijvoorbeeld, in de vorm van fluorescentie als gevolg van fotonabsorptie en daaropvolgende emissie, " zegt Anton Classen, lid van de FAU-werkgroep Quantum Optics en Quantum Information. "Dit creëert een diffuse achtergrond die niet kan worden gebruikt voor coherente beeldvorming en vermindert de reproductiegetrouwheid van coherente methoden."

Gebruik maken van onsamenhangende straling

Het is precies deze schijnbaar ongewenste onsamenhangende straling die de sleutel is tot de nieuwe beeldvormingstechniek van de FAU-onderzoekers. "In onze methode de onsamenhangend verstrooide röntgenfotonen worden niet over een langere periode geregistreerd, maar in in de tijd opgeloste korte snapshots, " zegt professor Joachim von Zanthier. "Bij het afzonderlijk analyseren van de snapshots, de informatie over de rangschikking van de atomen kan worden verkregen."

De truc is dat de lichtdiffractie binnen korte sequenties toch coherent is. Echter, dit is alleen mogelijk met extreem korte röntgenflitsen met een duur van niet meer dan enkele femtoseconden - dat wil zeggen, een paar biljardsten van een seconde - wat pas recentelijk is bereikt met behulp van vrije-elektronenlasers zoals de Europese XFEL in Hamburg of de Linac Coherent Light Source (LCLS) in Californië.

Het visualiseren van afzonderlijke moleculen is mogelijk

Omdat de nieuwe methode gebruik maakt van fluorescentielicht, een veel sterker signaal kan worden verkregen, die ook wordt verspreid naar aanzienlijk grotere hoeken, het verkrijgen van meer gedetailleerde ruimtelijke informatie. In aanvulling, filters kunnen alleen worden gebruikt om het licht van specifieke atoomsoorten te meten. Dit maakt het mogelijk om de positie van individuele atomen in moleculen en eiwitten te bepalen met een significant hogere resolutie in vergelijking met coherente beeldvorming met röntgenlicht van dezelfde golflengte. Deze methode zou de studie van eiwitten in structurele biologie en geneeskunde kunnen verbeteren.