Editorial Feature

使用短而激烈的X射线捕获图像

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)科学家们首次验证了使用极短且强烈的X射线脉冲的想法,以在X射线破坏样品之前捕获诸如蛋白质等物体的图像。

与此同时,该团队还建立了25 FemtoseConds的速度成像。

介绍

该方法利用非常强大的X射线脉冲,可用于复杂生物分子的原子分辨率成像。该技术使科学家能够深入了解材料科学,血浆物理,生物学和医学领域。

在Livermore科学家汉堡的德国Elektronen-Synchrotron(斯瓦讷的自由电子激光器(Deutsches Elektronen-Synchrotron(斯瓦西),作为LLNL领导的国际合作的一部分’S Henry Chapman和乌普萨拉大学的Janos Hajdu,在激光摧毁样品之前,能够在纳米结构物体的单个衍射图案中记录单个衍射图案。然后使用LiverMore开发的计算机算法基于记录的衍射图案来重建对象的图像。这“lensless”成像技术可以应用于原子分辨率成像,因为它不受建立高分辨率镜头的需要限制。闪光图像可以尺寸解析特征50纳米,比使用光学显微镜的可实现时间小约10倍。

使用X射线脉冲研究蛋白质的结构

理论预测,在样品爆炸并变成等离子体之前,可以从大型大分子,病毒或细胞中从大型大分子,病毒或细胞中记录单个衍射图谱,病毒或细胞,具有超短和极亮的X射线脉冲。这意味着科学家可以更好地了解大分子蛋白的结构而不结晶它们,从而允许允许对所有类别的蛋白质进行快速研究。

Livermore科学家以及在瑞典的乌普萨拉大学的同事以及Techische Universit的同事äT Berlin,UC Davis,Stanford Synchrotron辐射实验室和Livermore私营公司溢出器X射线光学仪的生物光影学科学和技术中心进行了这个理论的第一个实验证明。

用X射线自由电子激光器衍射成像的单分子衍射成像。将单独的生物分子一次落下,一次落下X射线束,并以衍射图案的形式记录的结构信息。脉冲最终会破坏每个分子,但在脉冲已经从未损坏的结构衍射之前。该模式组合以形成分子的原子分辨率图像。
 
图1。 用X射线自由电子激光器衍射成像的单分子衍射成像。将单独的生物分子一次落下,一次落下X射线束,并以衍射图案的形式记录的结构信息。脉冲最终会破坏每个分子,但在脉冲已经从未损坏的结构衍射之前。该模式组合以形成分子的原子分辨率图像。
 

基于四种不同模型的计算机模拟表明,通过在样品被剥离并被破坏之前,通过透念脉冲长度和X射线波长的强度来实现近原子分辨率结构。但是,到目前为止,该技术没有实验验证。

实验证明“闪光衍射成像”使用世界上第一个软X射线FEL(自由电子激光器),位于斯瓦西的闪光灯设施。闪光通过自发排放的自我放大原理产生高功率软X射线脉冲。 Flash的脉冲比同步X射线源更亮近1000万倍。此外,该实验表明它仅需要25毫秒脉冲持续时间来捕获图像。


 由流体动力学模型计算的原子轨迹显示出2纳米的蛋白质爆炸后,在宽度为0.1微米的宽度,12千电池X射线脉冲击中后。模型表明可以通过短于20 FemtoSeconds的脉冲实现原子分辨率成像。他们还表明,蛋白质上的水篡改会使其破坏减慢,从而可以使用较长的脉冲。
图2。 由流体动力学模型计算的原子轨迹显示出2纳米的蛋白质爆炸后,在宽度为0.1微米的宽度,12千电池X射线脉冲击中后。模型表明可以通过短于20 FemtoSeconds的脉冲实现原子分辨率成像。他们还表明,蛋白质上的水篡改会使其破坏减慢,从而可以使用较长的脉冲。

重建以获取未损坏的示例信息

在这些情况下是否记录的衍射模式是否有问题是可以重建以获得未损坏的示例信息。

这些结果可能成为一种标准化的方法。该成像可以在细胞,亚细胞和下施加到单分子尺度。

亨利查普曼, 劳伦斯利弗莫尔国家实验室

致谢

其他李凡罗作者包括安东堡,迈克尔博冈,塞巴斯蒂安精品,马蒂亚斯弗兰克,斯蒂芬·赫雷格,斯特凡诺Marchesini,布鲁斯伍兹,SAš一家,亨利·贝纳,理查德伦敦,理查德李和亚伯拉罕萨克。

该工作由实验室指导的研发战略倡议提案资助“生物成像与第四代光源。”

该研究显示在11月12日在线版的自然物理学,并在十二月辛勤副本问题上的封面。

该研究部分由国家科学基金会资助’SCOPHotonics科技中心(CBST)总部位于萨克拉门托的UC戴维斯医疗中心。 CBST是2002年的多机构研究中心,由LLNL和UC戴维斯研究人员成立,致力于对光子仪器的开发和应用以及解决生物医学技术部门的重要问题。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室成立于1952年,拥有一项任务,以确保国家安全和应用科学和技术,以其时间的重要问题。 Lawrence Livermore国家实验室由加利福尼亚大学为美国能源部进行管理’国家核安全管理局。

这篇文章于28日更新TH. January, 2020

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    亨顿,安迪。2020. 使用短而激烈的X射线捕获图像. AZoOptics, viewed 17 May 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=104.

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