利用X射线对非结晶的大分子进行成像
发布时间：2023-05-23 08:00:00 阅读数： 359
一个全球科学家的团队与来自FAU的研究人员首次采用了X射线的成像方法，该方法使用光的特定量子特征。他们的研究发表在《物理评论快报》上，并解释了这种方法如何被用于非结晶大分子的成像。
包括FAU科学家在内的一个国际研究小组首次将X射线用于利用光的特定量子特征的成像过程。图片来源：FAU/Giulia Iannicelli。
该研究小组利用位于汉堡的欧洲EXFEL的X射线激光器的极短和非常密集的X射线脉冲来产生荧光光子，这些光子几乎在同一时间到达检测器--在低于1飞秒（四亿分之一秒）的时间范围内。通过量化被照亮的铜原子的荧光中的光子-光子相关性，可以制作出光源的图像。
在原子尺度上，材料和大分子的结构通常用X射线晶体学来确定。尽管这种技术依赖于相干的X射线衍射，但X射线光散射可能导致非相干过程，如荧光发射，它们可能占主导地位，尽管事实上它们并不导致对衍射测量的有价值贡献。相反，它们给测量数据增加了一个背景或无用的阴霾。
在20世纪50年代，两位英国天文学家确定有可能从这些自发光的光源中获得结构数据。在他们的设想中，这是来自恒星的光。罗伯特-汉伯瑞-布朗和理查德-特维斯，他们的技术被称为强度干涉仪，为理解光铺设了一条新的道路，并发现了量子光学领域。
近来，来自FAU、马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所和德国电子同步加速器（DESY）的研究人员提出，强度干涉法可以通过使用X射线荧光来适应原子分辨率的成像。
将这一概念扩展到X射线的困难在于光子的相干时间，它指挥着进行光子-光子关联的现有时间间隔，是非常短的。它是由受激原子的辐射衰变时间发现的，对于铜原子来说，它大约是0.6飞秒。
现在，该小组与来自乌普萨拉大学和欧洲XFEL的科学家一起，利用来自该设施的飞秒级XFEL脉冲，在相干时间内开始X射线荧光光子，赢得了这一困难。该小组制作了一个由铜箔中的两个荧光点组成的源，并在8米外的一个百万像素探测器上对荧光进行量化。
每个照明脉冲只感应到大约5000个光子，而5800万个脉冲的累积总和只产生了一个无特征的均匀分布。然而，当科学家们将来自探测器的所有图像中的光子-光子相关性相加时，出现了一个条纹图案，它像一个相干的波场一样被检查，以重建一个荧光源图像，包括两个分离良好的光点。
现在，研究人员希望将这种新技术与传统的X射线衍射结合起来，对单分子进行成像。一些原子甚至一些化学状态所特有的子结构，可以通过特定元素的荧光暴露出来。这可能会提高对重要酶的功能的理解，比如那些参与光合作用的酶。
参考资料：Trost, F., Kartik Ayyer, Prasciolu, M., Fleckenstein, H., Barthelmess, M., Oleksandr Yefanov, Jan Lukas Dresselhaus, Li, C., Sa?a Bajt, Carnis, J., Tamme Wollweber, Mall, A., Shen, Z., et al. (2023). Imaging via Correlation of X-Ray Fluorescence Photons. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/physrevlett.130.173201.
