02.05.2023
Neues Verfahren zur Abbildung einzelner Moleküle
Einem internationalen Forscherteam ist es erstmals gelungen, Röntgenstrahlen für ein bildgebendes Verfahren zu nutzen, das sich eine besondere Quanteneigenschaft des Lichts zunutze macht. Das Forscherteam unter der Leitung von Henry Chapman, leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Hamburg, nutzte sehr intensive Röntgenpulse des European XFEL, um Fluoreszenz von Kupferatomen zu erzeugen.
Indem die Wissenschaftler zwei Photonen der emittierten Fluoreszenz fast gleichzeitig messen, können sie Bilder der Kupferatome erhalten. Die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsergebnisse könnten die Abbildung einzelner großer Moleküle ermöglichen.
Die atomaren Strukturen von Materialien und großen Molekülen wie Proteinen werden normalerweise mit Hilfe der Röntgenkristallographie bestimmt, die auf "kohärenter" Röntgenstreuung beruht. Inkohärente Prozesse wie Fluoreszenzemission können jedoch die Messungen dominieren und den Messdaten einen unscharfen Nebel oder Hintergrund hinzufügen. In den 1950er Jahren prägten die Astronomen Robert Hanbury Brown und Richard Twiss die "Intensitätsinterferometrie", mit der strukturelle Informationen durch den "inkohärenten" Nebel hindurch extrahiert werden können. Die Methode nutzt die quantenmechanischen Eigenschaften des Lichts und öffnete die Tür zu einem neuen Verständnis des Lichts.
Wissenschaftler der Universität Erlangen, des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und von DESY schlugen vor, die Intensitätsinterferometrie für die atomar aufgelöste Bildgebung mittels Röntgenfluoreszenz anzupassen. Die ultrakurzen, hochintensiven Pulse des European XFEL werden genutzt, um in Kupfer Fluoreszenz zu erzeugen. Durch die Messung der emittierten Fluoreszenzphotonen können die Wissenschaftler mit einer "räumlichen Korrelationsanalyse" durchführen und ein Bild der fluoreszierenden Atome erzeugen. Das Problem bei der Anwendung dieser Methode mit Röntgenstrahlen besteht darin, dass die Photonen "dekohärent" werden und sich daher nicht für die Intensitätsinterferometrie eignen. Dank des ultrakurzen und ultrahellen European XFEL-Strahls in Verbindung mit seiner Megahertz-Wiederholrate kann diese Methode nun erstmals in bildgebenden Experimenten am MID-Instrument des European XFEL eingesetzt werden.
"Da wir Strukturen einer breiteren Palette von Molekülen und Materialien sowie unvorstellbar schnelle Reaktionen erforschen, brauchen wir eine größere Auswahl an Werkzeugen und Methoden", sagt der leitende Wissenschaftler des European XFEL Anders Madsen. "Unsere extrem hellen Röntgenpulse, die mit einer Wiederholrate im Megahertzbereich eintreffen, ermöglichen experimentelle Techniken, von denen wir bisher nur träumen konnten."
"Dieser Ansatz ist vielversprechend für eine Reihe verschiedener experimenteller Szenarien", sagt Fabian Trost von DESY, der die Studie leitete. "In Zukunft könnte es möglich sein, hochauflösende dreidimensionale Bilder von fluoreszierenden Strukturen für Echtzeitanalysen zu erhalten, zum Beispiel von der Entstehung und Entwicklung von dichten Plasmen, die für die Fusionsenergieforschung relevant sind." Die Wissenschaftler hoffen, die neuartige Methode mit der Beugung zu kombinieren, um einzelne Moleküle abzubilden, was dazu beitragen könnte, die Funktionsweise wichtiger Enzyme zu entschlüsseln, die beispielsweise an der Photosynthese beteiligt sind.
Quelle: European XFEL GmbH