Holografía de rayos X en vuelo

(Imagen izquierda) La radiación de rayos X se dispersa en dos esferas y forma un patrón de interferencia característico que se denomina holograma. (Imagen en el centro) Los cambios en el tamaño o la distancia de las esferas se reflejan directamente en el holograma y también se pueden calcular a partir de él. (Imagen derecha) Si las dos esferas no están en el mismo plano, las franjas de interferencia cambian a líneas curvas, a partir de las cuales se puede recuperar la disposición tridimensional. En la "Holografía en vuelo" se utiliza la esfera más pequeña como referencia holográfica y la más grande se reemplaza por la muestra a examinar. A partir del holograma, no solo se puede obtener la distancia, sino también la estructura de la muestra mediante la interferencia característica. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Las científicas y científicos del grupo de investigación del Prof. Thomas Möller en el Instituto de Óptica y Física Atómica de la TU Berlín, junto con un equipo internacional, lograron desarrollar un nuevo tipo de holografía, la llamada “Holografía en vuelo” (“In-Flight Holography”). Con este método especial de holografía de rayos X, pudieron por primera vez generar imágenes de alta resolución de nanovírus que no necesitaban estar fijados a una superficie, es decir, estaban “en vuelo”.

La holografía, en el sentido más amplio, se basa en la interferencia — es decir, en la superposición — de haces de luz. Se crea un holograma cuando la luz se dispersa en un objeto y se superpone con un haz de referencia. Esta superposición conduce a patrones de interferencia únicos, a partir de los cuales, con la ayuda de algoritmos especiales, se puede calcular la información sobre la estructura del objeto. Por ejemplo, en hologramas ópticos, se puede determinar la estructura tridimensional de un objeto.

En el rango de los rayos X, la holografía es una herramienta poderosa que permite, sin mucho cálculo, obtener visiones únicas de la estructura de partículas diminutas, como virus y otras nanopartículas. “Una desventaja: hasta ahora, era necesario fijar las muestras, que solo tienen unos nanómetros de tamaño, en una superficie. Esto puede ser problemático para muestras biológicas y delicadas, como los virus, ya que cualquier método de fijación altera automáticamente la muestra. La imagen resultante, por tanto, no refleja el estado original”, explica Anatoli Ulmer, coautor del estudio y doctorando en la cátedra del Prof. Möller en la TU Berlín.

“Lo especial de nuestro método es, por un lado, que investigamos nanopartículas sin necesidad de modificarlas previamente. Además, el procedimiento permite una reconstrucción clara y sencilla de la muestra y es menos susceptible a ruido de fondo y otros factores de interferencia en comparación con enfoques no holográficos”, añade Anatoli Ulmer.

En este estudio, los investigadores demostraron que la holografía de rayos X también puede aplicarse con éxito a nanopartículas no fijadas en fase gaseosa. El experimento fue dirigido por el Dr. Tais Gorkhover, el Prof. Dr. Christoph Bostedt y Anatoli Ulmer en el láser de rayos X coherentes Linac (LCLS) en California, y fue seleccionado para la portada de la edición de marzo de Nature Photonics.

A las muestras de virus se les proporcionó un objeto de referencia, creando así la condición para una grabación holográfica. Como referencia, se utilizaron llamados nanoclusters: pequeñas esferas de xenón.

Tanto las nanovírus como los nanoclusters fueron inyectados juntos en el foco del láser de rayos X. La muestra fue irradiada con un pulso láser en el orden de los 100 femtosegundos (1 femtosegundo = 10^-15 segundos). La radiación de rayos X se dispersa tanto en los nanoclusters como en los virus. Los patrones de interferencia resultantes del haz dispersado se registran con una cámara especial y contienen información sobre la estructura del virus.

“Sin holografía, las imágenes de dispersión tendrían que analizarse en miles de pasos con algoritmos complejos. La estructura se obtiene promediando cientos de posibles soluciones. En cambio, nuestros hologramas pueden interpretarse de manera inequívoca en solo dos pasos”, añade el Dr. Tais Gorkhover, la primera autora del estudio, científica principal del equipo que realizó el experimento y ex empleada de la TU Berlín, que actualmente investiga en la Universidad de Stanford en EE. UU.

A largo plazo, este método holográfico podría abrir nuevas vías para estudiar mejor, por ejemplo, nanopartículas que desempeñan un papel importante en la contaminación atmosférica, los mecanismos de combustión y la catálisis.

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