Рентгеновский микроскоп взорвал лазером объекты наблюдения
Новый метод получения детальных изображений вирусов, бактерий а также больших органических молекул открыли учёные из америки, Швеции и Германии. Они обучились фотографировать тела нанометрового масштаба при помощи замечательного ультракороткого импульса рентгеновского лазера.
И не беда, что через пара фемтосекунд объект съёмки , разлетевшись во все стороны облачком плазмы.
Об этом впечатляющем опыте рассказала в последнем выпуске Nature Physics интернациональная несколько учёных во главе с Генри Чепменом (Henry Chapman) из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) и Яносом Хайду (Janos Hajdu) из университета Уппсалы (Uppsala University).
В опыте был задействован относительно новый (выстроенный в 2004 году) лазер на свободных электронах FLASH германской электронно-синхротронной лаборатории (DESY) в Гамбурге.
Вверху: снимок дифракционной картины, отражающий структуру микроскопического объекта. Внизу: тот же объект, но отснятый с опозданием, другими словами уже взорванный лазером — дифракционная картина совсем другая (фотографии H. N. Chapman).
Кстати, принцип его работы вы имеете возможность определить из данной новости про рекордный американский лазер подобного типа.
Совершённую сравнительно не так давно фотосъёмку возможно назвать фотографией с самой маленькой выдержкой: импульс рентгеновского лазера (с длиной волны 32 нанометра) продолжался всего 25 фемтосекунд. Луч проходил через объект съёмки, вкраплённый в мембрану толщиной всего 3 микрометра.
Энергия лазерного пульса нагревала пример примерно до 60 тысяч градусов Кельвина, так что он тут же испарялся.
Но перед тем, как объект разлетался облачком плазмы, учёные ухитрялись зафиксировать дифракционную картину, по которой возможно было совершенно верно вернуть «портрет» примера и его структуру.
Полученные в следствии таковой обработки чёткие изображения микроскопических объектов (их разрешение составило 50 нанометров) продемонстрировали, что съёмка происходила вправду перед тем, как рентгеновский лазер успевал нанести повреждение фотографируемому объекту.
Слева: упрощённая схема опыта, приведённая в релизе ливерморской лаборатории.
Неспециализированный принцип на удивление несложен — импульс рентгеновского лазера рассеивается на объекте и прежде, чем объект взорвётся, успевает донести его образ до «фотоаппарата». Справа: а если судить по схеме, приведённой лабораторией DESY, в опыте была задействована ещё некая наклонная полупрозрачная пластина, направлявшая рассеянный пучок на фотоприёмник (иллюстрации Lawrence Livermore National Laboratory и H. N. Chapman).
Прошлые теоретические изучения предсказали, что возможно приобретать пример дифракции от непрозрачных объектов. «Но оставались два ответственных вопроса, — говорит Хайду. — Окажется ли изображение, поддающееся толкованию, от единственного и весьма маленького импульса; и вправду ли дифракция передаст данные о структуре объекта, перед тем как он будет уничтожен? В отечественном опыте мы в первый раз удостоверились в надежности всё это».
И, что самое увлекательное, возможности нового способа съёмки далеко не исчерпаны.
Траектории атомов, вычисленные гидродинамической моделью, показывают белок с поперечником 2 нанометра, взрывающийся по окончании того, как его облучили 20-фемтосекундным рентгеновским импульсом мощностью 12-килоэлектронвольт с диаметром луча 0,1 нанометра.
Модели показывают, что изображение атомарного разрешения возможно достигнуто с импульсом длительностью до 20 фемтосекунд. Они кроме этого говорят о том, что молекулы воды, прицепленные к белку, замедляют его разрушение так, что и более долгие импульсы смогут употребляться для съёмки.
Масштабная линейка внизу — фемтосекунды (фемто — 10-15). Кривая показывает мощность импульса (иллюстрация Lawrence Livermore National Laboratory).
Чтобы получить изображения громадных молекул с атомарным разрешением, такие опыты нужно будет совершить, применяя лучи с ещё более маленькими длинами волны, другими словами применив не мягкий рентген, а твёрдый.
Это лучи наподобие тех, каковые будут генерироваться с 2009 года на строящейся на данный момент установке «Линейный источник когерентного света» (Linac Coherent Light Source — LCLS) в Стэнфорде либо на европейском рентгеновском лазере XFEL, возводимом тут же, в Гамбурге (он обязан получить в 2013-м).
Так как новый способ, показанный в данном опыте, не требует никакого оптического формирования изображения (практически у физиков оказался безлинзовый микроскоп), он бывает расширен на эти лазеры с твёрдым рентгеном, для которого никаких линз до тех пор пока, наподобие, не существует.
Ожидается, что новый рентгеновский лазер XFEL сможет кроме того снимать видеоролики с химическими реакциями между отдельными молекулами. Пунктирная линия — поток молекул, красным и синим продемонстрированы лучи лазера.
Это упрощённая схема опыта (иллюстрация DESY).
Развитие же и внедрение в практику изучений таковой экзотической фотографии создаст неповторимые возможности для динамики частиц и изучения структуры нанометрового масштаба, включая громадные биологические молекулы, без потребности в их предварительной кристаллизации, нужной при простом рентгеновском структурном анализе.
А это обещает революционизировать изучения структур веществ во многих областях науки (материаловедении, к примеру), включая и биологию, и биохимию. Так как тут для новых изучений требуется высокое разрешение съёмки — как пространственное, так и временное.
