Röntgenholographie během letu

(Obrázek vlevo) Rentgenové záření je rozptýleno na dvou koulích a vytváří charakteristický interferenční vzor, který je označován jako hologram. (Obrázek uprostřed) Změny velikosti nebo vzdálenosti koulí se přímo odrážejí v hologramu a lze je z něj také zpětně vypočítat. (Obrázek vpravo) Pokud nejsou obě koule ve stejné rovině, interferenční pruhy se změní na zakřivené čáry, ze kterých lze zpět získat trojrozměrné uspořádání. U „In-Flight Holographie“ je menší koule využívána jako holografický referenční bod a větší je nahrazena zkoumaným vzorkem. Z hologramu lze nejen určit vzdálenost, ale také strukturu vzorku pomocí charakteristické interference. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Vědci a vědkyně z pracovního týmu profesora Thomase Möllera na Ústavu optiky a atomové fyziky Technické univerzity v Berlíně společně s mezinárodním týmem dokázali vyvinout nový druh holografie, takzvanou „In-Flight Holography“. S tímto speciálním druhem rentgenové holografie byli poprvé schopni vytvořit vysoce rozlišující snímky nanovirů, které předtím nemusely být fixovány na povrch – tedy „za letu“.

Holografie je v nejširším smyslu založena na interferenci – tedy překrývání – světelných paprsků. Hologram vznikne, když je světlo rozptýleno od objektu a překryto s referenčním paprskem. Toto překrytí vede k jedinečným interferenčním vzorům, ze kterých lze pomocí speciálních algoritmů vypočítat informace o struktuře objektu. Například u optických hologramů lze určit trojrozměrnou strukturu objektu.

V oblasti rentgenových paprsků je holografie mocným nástrojem, který umožňuje bez velkého výpočetního úsilí získat jedinečné pohledy do struktury malých částic, jako jsou viry a jiné nanodíly. „Nevýhodou je: dosud bylo nutné fixovat vzorky o velikosti pouze nanometrů na povrch. To může být problém u biologických a citlivých vzorků, jako jsou například viry, protože každá forma fixace automaticky mění vzorek. Výsledný obrázek tedy nezobrazuje původní stav,“ vysvětluje Anatoli Ulmer, spoluautor studie a doktorand na katedře profesora Möllera na TU Berlín.

„To, co je na naší metodě zvláštní, je mimo jiné skutečnost, že zkoumáme nanodíly, aniž bychom je museli předem měnit. Navíc tento postup umožňuje jednoznačnou a jednoduchou rekonstrukci vzorku a je méně náchylný k pozadí a dalším rušivým faktorům ve srovnání s ne-holografickými přístupy,“ dodává Anatoli Ulmer.

V této studii vědci ukázali, že rentgenová holografie může být úspěšně použita i na nefixované nanodíly ve fázi plynu. Experiment byl hlavně veden Dr. Tais Gorkhoverem, profesorem Dr. Christophem Bostedtem a Anatoli Ulmerem na rentgenovém laseru Linac Coherent Light Source (LCLS) v Kalifornii a byl vybrán na titulní stranu březnového vydání časopisu Nature Photonics.

Ke vzorku virů byl přidán referenční objekt, čímž byla vytvořena podmínka pro holografické zachycení. Referencí byly takzvané nanklastery: kulovité nanokuličky z xenonu.

Jak nanoviry, tak nanklastery byly současně vtaženy do ohniska rentgenového laseru. Vzorek je ozářen laserovým pulzem o délce přibližně 100 femtosekund (1 femtosekunda = 10^-15 sekund). Rentgenové záření je rozptýleno jak na nanoklastrech, tak na viru. Výsledné interferenční vzory rozptýleného světla jsou zaznamenány speciální kamerou a obsahují informace o struktuře viru.

„Bez holografie je nutné rozptylové obrázky analyzovat v tisících krocích a pomocí složitých algoritmů. Struktura pak vzniká z průměrování stovek možných řešení. Naopak, naše hologramy lze jednoznačně interpretovat ve dvou krocích,“ doplňuje Dr. Tais Gorkhover, hlavní autorka studie, vedoucí vědecká pracovnice týmu, který experiment sestavil, a bývalá zaměstnankyně TU Berlín, která nyní působí na Stanfordově univerzitě v USA.

Dlouhodobě by tato holografická metoda mohla umožnit nové způsoby studia například nanodílů, které hrají významnou roli při znečištění ovzduší, spalovacích procesech a katalýze.

*Publikace: Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles; Nature Photonics, Volume 12, pages 150–153 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0110-y