在美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,简称BNL)的国家同步辐射光源 II(National Synchrotron Light Source,简称NSLS-II[2]),科学家们正在建造一台量子增强型X射线显微镜。

X射线的量子特性 制造“幽灵”生物分子-量子客
图1|美国国家同步辐射光源II鸟瞰图(来源:Wikipedia)

量子特性碰上生物学

这一突破性技术,受到美国能源部科学办公室的“生物和环境研究项目”的支持。其目的是,能让研究人员用前所未有的方式,对生物分子进行成像。

NSLS-II的研究人员将使用强大的X射线,“查看”原子级材料的结构、化学成分和电子构成。设施上带有的强光灯,促使研究人员获得生物学新进展,例如揭秘蛋白质的结构,从而为各种疾病的药物研发提供依据。

现在,通过利用X射线的量子特性,NSLS-II的研究人员能以较高分辨率,对更敏感的生物分子成像。

虽然X射线具有很强的穿透力,可以为成像研究提供卓越的分辨率,但这种强光也会损坏某些生物样本,例如植物细胞、病毒和细菌。低剂量X射线研究可以保留这些样品,但成像分辨率也会相应降低。

NSLS-II的一位研究人员表示,如果能够成功构建量子增强型X射线显微镜,那么就能以超高分辨率和低剂量X射线,对生物分子进行成像。

 

幽灵成像

NSLS-II的量子增强型X射线显微镜,将通过一种“幽灵成像”的技术,来实现这一完美的功能组合。

传统的X射线成像技术将单束光子(光粒子)通过样本送入检测器,而幽灵成像则需要将X射线束分为两束纠缠的光子流,其中只有一束通过样本,但两束光子都能收集信息。

X射线的量子特性 制造“幽灵”生物分子-量子客
图2|幽灵成像概念图(来源:布鲁克海文国家实验室)

该项目负责人表示,检测器收集到其中一束光子流时,以良好分辨率进行记录,而另一束光子流则编码了光子传播的确切方向。

这听起来很魔幻,但通过数学计算,研究人员们将能够关联来自两束光的信息。

通过分离光束,研究样品暴露于X射线中的剂量较小。由于没有穿过样品的光子与穿过样品的光子是相关的,因此可以保持全剂量X射线束的分辨率。

现已成功开发幽灵成像技术,但是还未将其转化为X射线。

布鲁克海文国家实验室的量子增强型X射线显微镜,是在NSLS-II的X射线相干散射(CHX)[3]光束线上开发的,因为它能够操纵X射线源的相干性,从而使科学家能够根据需要调整幽灵成像实验。

X射线的量子特性 制造“幽灵”生物分子-量子客
图3|NSLS-II的X射线相干散射(CHX)光束线(来源:布鲁克海文国家实验室)

完美集合

CHX较为灵活,可适应崭新的先进设备,如光束分束器和新检测器。NSLS-II将与布鲁克海文国家实验室和石溪大学的科学家们合作,将这些复杂的仪器整合在一起。

布鲁克海文国家实验室的物理学家Andrei Nomerotski表示,这些测量要求成像探测器具有最佳时间分辨率,而我们在高能物理实验、量子信息科学项目中已经有所应用。

量子增强型X射线显微镜项目团队,还将与布鲁克海文国家实验室的计算科学计划(CSI)[4]合作,进行数据分析。而实验室的生物学部门正在与NSLS-II合作,利用该显微镜的先进性能进行实验。

生物学与NSLS-II科学家之间的牢紧密合作关系,结合了现实世界中的科学问题和先进的能力,为与能源部任务相关的问题,提供了尖端的解决方案。

该团队计划在未来两到三年内逐步将新功能纳入CHX光束线中。预计在2023年演示分辨率为10纳米以下的,微米级物体的幽灵成像。

 

参考链接:

[1]https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=117347

[2]https://www.bnl.gov/ps/

[3]https://www.bnl.gov/ps/beamlines/beamline.php?r=11-ID

[4]https://www.bnl.gov/compsci/

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Sakura