Rendgenski bljeskovi unose svjetlost u nanoworld

Istraživači provode pionirske eksperimente s prvim rentgenskim laserom bez rendgenskih zraka na svijetu

U sredini CAMP-a: U komori s lijeve strane su smještene pozlaćene elektrode reakcijskog mikroskopa, a na desnoj strani dva rendgenska detektora. Stvarni CCD-ovi približno su veliki kao i dječje ruke i mogu se prepoznati kao dvije reflektirajuće površine. Impuls FEL dolazi s lijeve strane između dvije sredine elektroda u obliku prstena, udara u nanočestice i raspršuje se desno na detektoru, gdje se otkrivaju difrakcijski obrasci. Fragmenti čestica uzorka ubrzavaju se prstenom elektrode gore-dolje. © MPI za nuklearnu fiziku
čitati naglas

Istraživači još nisu vidjeli nanoworld: Međunarodni istraživački tim snimio je pojedine nanočestice pomoću rendgenskih bljeskova iz LEGAC-ovog koherentnog izvora svjetlosti, prvog svjetskog rendgenskog lasera sa slobodnim elektronima na Sveučilištu Stanford. Podaci sadržani na slikama prvi put otkrivaju detalje s razlučivošću u rasponu od milijun milimetara.

Ultra brzi snimci postali su mogući zahvaljujući aparatu koji su razvili istraživači Grupe za napredne studije (ASG) na čelu s Joachimom Ullrichom, Ilme Schlichting i Lotharom Strüderom s Instituta za nuklearnu fiziku Maxa Plancka. CFEL ASG višenamjenski instrument (CAMP) omogućava istraživačima da izuzetno brzo i točno izmjere signale eksperimenata.

Uskoro novi uvidi u svijet malenih?

Ako bi sva sunčeva svjetlost koja pada na zemlju bila fokusirana lećom do točke promjera jednog milimetra, žarište još uvijek ne bi bilo tako intenzivno kao bljesak LINAC-ovog Koherentnog izvora svjetlosti (LCLS), 500 milijuna dolara besplatno Elektronski laser (FEL) u Nacionalnom laboratoriju za ubrzavanje SLAC na Sveučilištu Stanford. Intenzitet njegovih rendgenskih impulsa premašuje intenzitet najjačeg sinkrotrona ikada do deset milijardi puta, a dužina impulsa je tisuću puta kraća.

Leća za molekularne fragmente: Artem Rudenko ugrađuje složene prstenaste elektrode u CAMP instrument. Slika: MPI nuklearne fizike

Od ovoga, znanstvenici očekuju bitno nove uvide u svijet malenih. Bljesak svjetlosti iz nekoliko kilometara dugog LCLS-a mogao bi im dati neke informacije o strukturi pojedinih nanočestica, poput virusa ili proteina. Obično biolozi dešifriraju strukture takvih čestica uzgajajući iz njih malene kristale i osvjetljavajući ih rendgenskim zrakama.

Sa laserima sa slobodnim elektronima, kao što je LCLS, strukturne informacije mogu se takoder označiti iz čestica koje odbijaju uobičajene strukturne metode, uključujući analizu difrakcije X-zraka. Veliki udio svih biomolekula - od kojih se mnoge smatraju ciljanim molekulama za medicinske terapije - ne može se uzgajati kao kristal. Međutim, jedna molekula proteina ne daje signal koji se može detektirati u uobičajenoj rendgenskoj kristalografiji. prikaz

Proces raspršivanja mora prethoditi oštećenju od zračenja

Da bi se dobili izmjerljivi signali iz pojedinih molekula, intenzitet X-zračenja mora se drastično povećati, iako vrijeme ekspozicije mora biti tako kratko da rendgenski impuls prođe uzorak prije nego što dođe do oštećenja od zračenja. "Proces raspršivanja mora, dakle, predvidjeti štetu od zračenja, " kaže Schlichting, koji je aktivan u medicinskim istraživanjima na Institutu Max Planck.

Hoće li se ispuniti nada istraživača, još nije utvrđeno. Jer velika snaga rendgenskog lasera je i njegova slabost: svojim ekstremno velikim intenzitetom snop ne samo da odbija strukturu molekula, već ih i uništava i oni, i to u roku od deset femtosekundi, to jest u stotini tisućine milijarde sekunde. Jedino je pitanje mogu li čestice još uvijek slati signale koji otkrivaju nešto o njihovoj strukturi.

"Teorijske studije pokazuju da ovo djeluje kada su laserski impulsi još kraći od procesa raspadanja", kaže, između ostalog, Daniel Rolles iz ASG-a, koji se bavi tim pitanjem. Zapravo su partneri u LCLS-u pritisnuli trajanje impulsa ispod sedam femtosekundi. Zbog toga što su teorijska predviđanja tačna, reći će nam samo eksperimenti.

Interferencijski uzorak na CCD detektoru iz dvostrukog proreza, ozračenog FLASH svjetlom. MPI Semiconductor Laboratory / Str der

Ksenonski klaster istražen je rendgenskim laserom

Ovo je svrha prvih eksperimenata s instrumentom CAMP na LCLS-u, koji su započeli s radom u rujnu 2009. Na primjer, znanstvenici iz ASG-a, zajedno s istraživačima pod vodstvom Thomasa M llera s Berlinskog tehničkog sveučilišta (TU) i Christopha Bostedta iz SLAC-a, istraživali su ksenonske nakupine pomoću rendgenskog lasera. Radeći to, također su stekli temeljni uvid u to kako čestice mogu pogoditi rendgenske bljeskove i koje informacije čestice otkrivaju o njihovoj strukturi.

"Eksperimenti na klasterima omogućuju uvid u interakciju izuzetno intenzivnih svjetlosnih impulsa s nanočesticama, koji propadaju gotovo odmah nakon snimanja", objašnjava Möller. "Pomoću naših eksperimenata stvorit ćemo osnove koje će pomoći u pregledavanju ostalih nanočestica pomoću rendgenskog lasera." U sljedećem koraku, u lipnju 2010., međunarodni tim će ispitati Schlichtingove biološke uzorke u CAMP aparatu.

Kako se molekule rasprsnu

Kako bi zaštitili molekule od destruktivne moći rendgenskog lasera, istraživači također žele otkriti kako se rasprsnu. Upravo u tome vam može pomoći instrument CAMP, koji je opremljen brojnim sofisticiranim spektrometrima. Uređaj od četiri milijuna eura sadrži najveće i najbrže X-ray CCD čipove na svijetu koji mjere energiju i intenzitet raspršenog svjetla. Čipove su izgradili znanstvenici oko Strüdera u MPI poluvodičkom laboratoriju.

"Čips se može čitati 200 puta u sekundi brže od stvaranja lasera na rendgenu, tako da možemo otkriti signal svakog impulsa", objašnjava Robert Hartmann, jedan od istraživača koji je dizajnirao čipove.

Ciljani mehanizam uništavanja

"Osim difrakcije rendgenskih zraka, koja difrira kroz molekule i stvara uzorak, CCD-detektori također hvataju svjetlost koju molekule oslobađaju nakon što su apsorbirali svjetlost rendgenskih zraka", objašnjava Sascha Epp iz ASG-a, koji kontrolira detektore ugrađen u CAMP. Ovi signali pružaju tragove istraživačima o tome kako se čestice razbijaju. Pored toga, fragmenti razaranja mogu se zaključiti iz mehanizma uništavanja u koji se istražuje molekula i raspada CAMP.

"Korištenjem vrlo preciznog spektrometra mase tijekom vremena, mjerimo i masu fragmenata i njihove impulse", kaže Artem Rudenko, jedan od znanstvenika ASG-a koji je razvio ovaj reakcijski mikroskop, a Ullrich dodaje: "Tako da možemo identificirati fragmente i istodobno ih iskusiti koliko brzo su izbačeni iz molekule u kojem smjeru. "Ovi nalazi bi mogli pomoći ugraditi čestice koje laser cilja u matricu kako bi laser napravio što manju štetu.

Istraživači su već testirali dijelove instrumenta pomoću FLASH, lasera sa slobodnim elektronima na Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), koji emitira visokoenergetsku UV svjetlost. Između ostalog, razvili su tehniku ​​snimanja, CCD detektor i reakcijski mikroskop te ispitali kako detektori reagiraju na intenzivne bljeskove svjetlosti.

Zbunjujuće impulzne vrtložne elektrone

"CAMP je toliko uspješan da je s njim gotovo trećina eksperimenata odobrenih LCLS-om", kaže Ullrich. Zbog mnogo različitih vrsta informacija koje pruža CAMP o eksperimentima s raspršivanjem, ne samo da se mogu optimizirati strukturna ispitivanja. "Također saznajemo o osnovnim procesima koji pokreću izuzetno intenzivne X-zrake impulsa u molekulama."

Jasno je da ovi impulsi vrtlogom elektrona u molekulama potpuno zbunjuju. Ali fizičari to još ne znaju. Razumijevanje ovih procesa u konačnici pomaže naučiti više o funkcijama molekula i iskorištavati ih medicinski ili tehnički.

(Društvo Max Planck, 23.02.2010. - DLO)