Zogenaamde Fresnel-zoneplaatspectrometers bieden nieuwe en efficiëntere manieren om experimenten uit te voeren met zachte röntgenstralen. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Optics Express, wetenschappers hebben het ontwerp gepresenteerd voor een reflectiezoneplaat die de uiterst gecompliceerde metingen vereenvoudigt aan chemisch en biologisch relevante systemen die tot nu toe moeilijk uit te voeren waren. Een tweede studie, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , presenteert een spectrometer die een transmissiezoneplaat gebruikt, waarmee in een klein aantal stappen complexe onderzoeken van dergelijke systemen kunnen worden uitgevoerd. Deze onderzoeken zijn uitgevoerd door wetenschappers van DESY, het Helmholtz Centrum voor Materialen en Energie in Berlijn, het Paul Scherrer Institute in Zwitserland en de Göttingen Campus (Göttingen University en Max Planck Institute for Biophysical Chemistry).

Het bestuderen van de elektronische structuur van materialen kan nuttig zijn in een reeks verschillende wetenschappelijke gebieden. "We kunnen de structuur van de elektronen of de elektronenconfiguratie van een systeem gebruiken om dingen af ​​te leiden als de bindingstoestand van individuele chemische elementen, zelfs in ongeordende materialen, " zegt Zhong Yin van DESY, die in beide studies een centrale rol speelden. Een methode om deze structuur te onderzoeken staat bekend als resonante inelastische röntgenverstrooiing (of "RIXS"), een multidimensionale methode van röntgenspectroscopie. Bij deze methode, de elektronen in een monster worden geëxciteerd door middel van röntgenstralen en zenden op hun beurt zelf hoogenergetische röntgenstralen uit. Elk chemisch element produceert een karakteristiek patroon van röntgenexcitaties en emissies, met specifieke energieniveaus in de tijd. Dit patroon kan worden gelezen door de excitatie-energie van de röntgenstralen te variëren en vervolgens optische systemen te gebruiken om de röntgenfotonen die worden uitgezonden naar een detector te geleiden en ze op golflengte te scheiden.

Een probleem met deze procedure is dat met name lichtere elementen, die een belangrijke rol spelen in de biologie, alleen heel weinig straling uitzenden als ze opgewonden zijn. "Bij complexe chemische en biochemische reacties die plaatsvinden in vloeistoffen, conventionele RIXS-methoden kunnen belangrijke en gedetailleerde informatie verschaffen over de bestaande elektronische structuren, dankzij hun spectrale resolutie. Echter, de monsters moeten in grote hoeveelheden aanwezig zijn, en dit betekent dat het uitvoeren van RIXS-metingen op biologisch relevante systemen erg duur en ingewikkeld kan zijn, " legt DESY's vooraanstaande wetenschapper Simone Techert uit, die professor is aan de Universiteit van Göttingen en verantwoordelijk was voor de implementatie van de zoneplaten, de chemische omgeving en de analyse. "De nieuwe plaatspectrometers voor reflectie- en transmissiezones kunnen worden gecombineerd met vloeistofstralen, of andere snel uitwisselbare monsteromgevingen, om aanzienlijk efficiëntere RIXS-onderzoeken van lage-concentratiemonsters in het bereik van zachte röntgenstralen mogelijk te maken, die kunnen worden gebruikt om monsters bestaande uit koolstof en stikstof te bestuderen."

Als optisch hulpmiddel reflectiezoneplaten zijn alleskunners:ze kunnen optisch licht of röntgenstralen reflecteren en tegelijkertijd focussen. Als het goed verlicht is, ze kunnen tegelijkertijd de afzonderlijke golflengten ruimtelijk scheiden, zodat deze op verschillende plaatsen op een detector gemeten kunnen worden. "Reflectiezoneplaten zijn een soort van de volgende logische stap in röntgenoptica, " zegt Jens Rehanek van het Paul Scherrer Instituut. Samen met Zhong Yin, hij ontwierp de experimenten voor deze nieuwe toepassingen van zoneplaten. "Ze lijken qua manier van werken sterk op conventionele röntgenspectrometers, maar ze kunnen het licht niet alleen op een lijn richten, maar op een enkel punt." Omdat zoneplaten bovendien dichter bij het monster worden geplaatst, zwakke signalen kunnen veel efficiënter worden gemeten. De wetenschappers gebruikten een truc om een ​​van de nadelen van zoneplaten te omzeilen:het smallere bereik van energieën waarmee ze kunnen worden gemeten. Ze plaatsten de zoneplaat iets verder van het monster dan normaal, waardoor ze een breder scala aan energieën kunnen meten met een vergelijkbare hoge resolutie als die van conventionele spectrometers. "De spectrometer die we hebben gebouwd met behulp van de reflectiezoneplaat, biedt een hoge efficiëntie en een goede resolutie met een hoge bandbreedte en kan worden gebruikt voor kleine monsters, " benadrukt Rehanek. Zowel de theorie als de technologie van reflectiezoneplaten werden sinds 2008 ontwikkeld aan het Institute for Nanometer Optics and Technology in het Helmholtz Center for Materials and Energy (HZB) in Berlijn door een team onder leiding van Alexei Erko, en worden in verschillende gebieden gebruikt voor synchrotron- en FEL-experimenten en voor röntgenlaboratoriumtoepassingen.

In een tweede studie, de wetenschappers ontwikkelden een spectrometer op basis van een soortgelijk optisch systeem dat ook kan worden gebruikt voor het onderzoeken van complexe chemische en biochemische reacties. Fresnel-zoneplaten kunnen niet alleen worden gebruikt om röntgenstralen te reflecteren; als transmissiezoneplaten, ze focussen ook de uitgezonden röntgenstralen en scheiden ze in verschillende golflengten. De transmissiezoneplaten vervaardigd door het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland bestaan ​​uit een dun membraan dat transparant is voor röntgenstralen, en ze werken net als lenzen van zichtbaar licht. Met deze zoneplaten toonde de onderzoeksgroep aan dat met hun bijzondere eigenschappen bijzonder efficiënt stralingsspectra kunnen worden gemeten.

Hier ook, de wetenschappers maakten gebruik van het feit dat de zoneplaat licht in twee richtingen kan focussen, het mogelijk maken om röntgenbeeldvormingsmethoden uit te voeren met behulp van spectrale informatie en om een ​​enkele, multidimensionaal röntgenspectrum, een zogenaamde "RIXS-kaart", gelijktijdig voor verschillende invallende energieën. Dit betekent dat transmissiezoneplaten zeer snel ruimtelijke verschillen in een uitgezonden spectrum kunnen bestuderen, en maak zelfs een afbeelding van het monsteroppervlak. "In principe, dit is ook mogelijk met een conventionele RIXS-spectrometer, " zegt Christiaan David, de directeur van het Instituut voor Nanooptica bij de PSI die verantwoordelijk was voor het ontwerpen en vervaardigen van de zoneplaat, "maar dankzij de speciale beeldvormende eigenschappen van de transmissiezoneplaten, we konden die metingen parallel uitvoeren (in plaats van punt voor punt), dat versnelt de procedure met een factor honderd."

Beide nieuwe ontwikkelingen bieden een alternatief voor bestaande röntgenspectrometers. Vooral experimenten die kijken naar het verloop van chemische en biochemische reacties in de tijd kunnen profiteren van hun hoge efficiëntie. "Omdat de spectrometers slechts één optisch systeem gebruiken, ze zijn zeer compact en dus zeer flexibel in de manier waarop ze kunnen worden gebruikt, " zegt Felix Marschall van PSI, de eerste auteur van de studie in Wetenschappelijke rapporten . Echter, de nieuwe methoden bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling en het potentieel van zoneplaten is nog niet volledig benut:"We werken al aan andere studies, die de opstelling verder zal verbeteren en extra toepassingen voor de zoneplaten zal testen, " zegt Jens Viefhaus van DESY, die toezicht hield op de testmetingen met behulp van de nieuwe spectrometers bij DESY's röntgenbron PETRA III.