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NSLS-II量子增强型x射线显微镜——X射线鬼成像与显微技术的结合

2020-11-30 09:49:10 15

北京众星联恒科技有限公司

“鬼成像”。在这种研究方法中,科学家们将一束x射线(由粗的粉红色线表示)分成两束纠缠的光子束(细的粉红色线)。其中只有一束能通过样品(用清晰的圆圈表示),但两束都能收集信息。通过分离光束,研究样品只用受到小剂量x射线的辐射。


美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(BNL)的科学家们在国家同步加速器光源II (NSLS-II)上设计了一个量子增强型X射线显微镜。这个显微镜由美国能源部科学办公室的生物和环境研究项目支持,它将让研究人员用一种全新的方法对生物分子进行成像。


NSLS-II是DOE科学用户设施办公室,研究人员可以使用强大的X射线“查看”原子级材料的结构、化学及电子组成。该设施的超亮光已经促成了生物学领域的一些发现,例如帮助研究人员发现了蛋白质的结构,为多种疾病的药物研究提供了信息。


现在,利用X射线的量子特性,NSLS-II的研究人员将能够在不牺牲分辨率的情况下对更敏感的生物分子进行成像。虽然X射线的高穿透能力可以为成像研究提供超高的分辨率,但这种强光也会损坏像细胞、病毒和细菌这样的生物样本。降低辐射剂量是解决这一问题的一种方法,但不幸的是,这也降低了图像的分辨率。


“如果我们能够成功构建量子增强型X射线显微镜,我们将能够用高分辨率和低辐射剂量的X射线对生物分子进行成像。” NSLS-II的结构生物学项目经理Sean McSweeney说。


NSLS-II的量子增强型X射线显微镜将通过一种叫“鬼成像”的实验技术实现这两种非凡的功能结合。典型的X射线成像技术只发射一束光穿过样品并进入探测器,与之相比,鬼影成像则需要将X射线分成两束纠缠的光束,其中只有一束穿过样本,但是两者都收集信息。

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NSLS-II的硬x射线相干散射(CHX)光束线站


科学家们将会在的NSLS-II的硬X射线相干散射(CHX)光束线站上开发这个显微镜,该线站的首席科学家Andrei Fluerasu说:“其中一束穿过样品并被一个具有较高时间分辨率的探测器收集,而另一束则编码光子传播的确切方向。这听起来像魔术,但是通过数学计算,我们可以将这两束光的信息联系起来。”


通过分离光束,所研究的样品只需要使用低剂量的X射线。由于未通过样品的光子与通过样品的光子具有相干性,因此可以保持全剂量X射线束的分辨率。

目前“鬼成像”只用于可见光的光子。新的显微镜将是第一个将该技术适应X射线的技术,允许捕获小于10纳米的样品的图像,而不会破坏它们。

BNL的量子增强型X射线显微镜是在NSLS-II的CHX光束线站上研发的,之所以选择它是因为它能够操纵X射线源的相干性,这使科学家能够根据需要调整鬼成像实验。CHX的现有设置也足够灵活,可以适应新的和先进的设备,例如分束器和新的探测器。


BNL的物理学家Andrei Nomerotski说:“这些测量要求成像探测器具有最佳的时间分辨率,而这正是我们已经用于高能物理实验,量子信息科学项目(例如量子天体测量)和光学快速成像的东西。”


量子增强型X射线显微镜项目团队还将与BNL的CSI合作进行数据分析。实验室的生物学部门正与NSLS-II合作利用该显微镜的先进功能设计实验。


实验室生物学部门主任John Shanklin说:“在物理学部门,生物学部门和CSI的共同参与下,我们为这个项目组建了一支优秀的团队。”该团队计划在未来两到三年内逐步将新功能集成到CHX线站中。如果一切按计划进行,它应该在2023年开始运行。


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