Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zijn begonnen met het bouwen van een kwantumversterkte röntgenmicroscoop bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Deze baanbrekende microscoop, ondersteund door het Biological and Environmental Research-programma van DOE's Office of Science, zullen onderzoekers in staat stellen om biomoleculen als nooit tevoren in beeld te brengen.

NSLS-II is een DOE Office of Science User Facility waar onderzoekers krachtige röntgenstralen gebruiken om de structurele, chemisch, en elektronische samenstelling van materialen tot op atomaire schaal. Het ultraheldere licht van de faciliteit maakt al ontdekkingen in de biologie mogelijk, onderzoekers helpen de structuren van eiwitten bloot te leggen om het ontwerp van geneesmiddelen voor een verscheidenheid aan ziekten te informeren - om maar een voorbeeld te noemen.

Nutsvoorzieningen, door gebruik te maken van de kwantumeigenschappen van röntgenstralen, onderzoekers van NSLS-II zullen in staat zijn om gevoeligere biomoleculen in beeld te brengen zonder de resolutie op te offeren. Hoewel het hoge penetratievermogen van röntgenstralen een superieure resolutie voor beeldvormend onderzoek mogelijk maakt, dit krachtige licht kan ook bepaalde biologische monsters beschadigen, zoals plantencellen, virussen, en bacteriën. Röntgenonderzoeken met een lage dosis kunnen deze monsters bewaren, maar de beeldresolutie is verminderd.

"Als we erin slagen een kwantumversterkte röntgenmicroscoop te bouwen, we zullen in staat zijn om biomoleculen af ​​te beelden met een zeer hoge resolutie en een zeer lage dosis röntgenstralen, " zei Sean McSweeney, manager van het structurele biologieprogramma bij NSLS-II.

De kwantumversterkte röntgenmicroscoop bij NSLS-II zal deze opmerkelijke combinatie van mogelijkheden bereiken door middel van een experimentele techniek die spookbeeldvorming wordt genoemd. In vergelijking met typische röntgenbeeldvormingstechnieken, die een enkele bundel fotonen (lichtdeeltjes) door een monster en op een detector sturen, spookbeeldvorming vereist dat de röntgenstraal wordt gesplitst in twee stromen verstrengelde fotonen - waarvan er slechts één door het monster gaat, maar beide verzamelen informatie.

"Eén stroom gaat door het monster en wordt verzameld door een detector die de fotonen met een goede tijdresolutie opneemt, terwijl de andere stroom fotonen de exacte richting codeert waarin de fotonen zich voortplanten, " zei Andrei Fluerasu, hoofdbundellijnwetenschapper bij NSLS-II's Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) bundellijn, waar de microscoop zal worden ontwikkeld. "Het klinkt als magie. Maar met wiskundige berekeningen, we zullen in staat zijn om de informatie van de twee stralen te correleren."

Door de straal te splitsen, het onderzochte monster wordt slechts aan een fractie van de röntgendosis blootgesteld. En aangezien de fotonen die niet door het monster gaan, gecorreleerd zijn met de fotonen die dat wel doen, de resolutie van een volledige dosis röntgenstraal blijft behouden.

Ghost-beeldvormingstechnieken zijn al met succes ontwikkeld met behulp van fotonen van zichtbaar licht, maar het vertalen van deze techniek naar röntgenlicht zal een belangrijke wetenschappelijke prestatie zijn.

De kwantumversterkte röntgenmicroscoop in Brookhaven Lab wordt ontwikkeld op de CHX-bundellijn van NSLS-II, die werd gekozen vanwege zijn vermogen om de coherentie van de röntgenbron te manipuleren, waardoor wetenschappers de spookbeeldvormingsexperimenten naar behoefte kunnen afstemmen. De bestaande opstelling van CHX was ook flexibel genoeg om de toevoeging van nieuwe en geavanceerde apparatuur mogelijk te maken, zoals een bundelsplitser en een nieuwe detector. NSLS-II zal samenwerken met natuurkundigen van Brookhaven Lab en Stony Brook University aan de integratie van deze complexe instrumenten.

"Voor deze metingen zijn beelddetectoren nodig met de best mogelijke timingresolutie, " zei Brookhaven-natuurkundige Andrei Nomerotski, "en dit is iets dat we al gebruiken voor experimenten met hoge energiefysica, kwantuminformatiewetenschappelijke projecten zoals kwantumastrometrie, en snelle optische beeldvorming."

Het projectteam voor kwantumversterkte röntgenmicroscoop zal ook samenwerken met Brookhaven's Computational Science Initiative (CSI) aan data-analyse. De biologieafdeling van het Lab werkt samen met NSLS-II om experimenten te ontwerpen die gebruikmaken van de geavanceerde mogelijkheden van deze microscoop.

"Onze biologie-collega's bij Brookhaven zijn verheugd om ons complexe problemen te brengen om op te lossen met behulp van dit nieuwe instrument, " zei McSweeney. "Met betrokkenheid van Natuurkunde, Biologie, en CSI, we hebben een uitstekend team samengesteld voor dit baanbrekende project."

"De sterke werkrelatie tussen biologie en NSLS-II-wetenschappers brengt echte wetenschappelijke problemen en geavanceerde mogelijkheden samen, het leveren van geavanceerde oplossingen voor problemen met betrekking tot de DOE-missie, " zei John Shanklin, Voorzitter van de afdeling biologie van het Lab. "Het is een win-winsituatie."

Het team is van plan om de komende twee tot drie jaar geleidelijk nieuwe functionaliteiten in de CHX-bundellijn te integreren. Het project zal voltooid zijn na het demonstreren van spookbeeldvorming van objecten van micronformaat met een resolutie van minder dan 10 nanometer, die wordt beoogd voor 2023.