Röntgenholografie in de vlucht

(Bild links) Röntgenstraling wordt verstrooid op twee bollen en vormt een karakteristiek interferentiepatroon dat een hologram wordt genoemd. (Bild midden) Veranderingen in de grootte of de afstand tussen de ballen weerspiegelen zich direct in het hologram en kunnen daaruit ook weer worden terugberekend. (Bild rechts) Als de twee ballen niet in hetzelfde vlak liggen, veranderen de interferentielijnen in gebogen lijnen, waarmee de driedimensionale opstelling kan worden teruggewonnen. Bij de "In-Flight Holografie" wordt de kleinere bol gebruikt als holografische referentie en wordt de grotere vervangen door het te onderzoeken monster. Uit het hologram kan niet alleen de afstand, maar ook de structuur van het monster worden teruggewonnen door de karakteristieke interferentie. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Wetenschappers in de onderzoeksgroep van Prof. Thomas Möller aan het Instituut voor Optiek en Atomaire Fysica van de TU Berlin zijn samen met een internationaal team erin geslaagd een nieuwe soort holografie te ontwikkelen, de zogenaamde „In-Flight Holographie“. Met deze speciale vorm van röntgenholografie konden ze voor het eerst hoogresolutiebeelden maken van nanovirussen, die niet eerder op een oppervlak vastgezet hoefden te worden – ze waren dus „in Flight“.

Holografie berust in de meest brede zin op interferentie – dus overlaging – van lichtstralen. Een hologram ontstaat wanneer licht wordt verstrooid door een object en wordt overlapt met een referentiestraal. Deze overlapping leidt tot unieke interferentiepatronen, waarmee men met behulp van speciale algoritmen informatie over de structuur van het object kan berekenen. Zo kan bijvoorbeeld bij optische hologrammen de driedimensionale structuur van een object worden vastgesteld.

In het röntgengebied is holografie een krachtig instrument en maakt het zonder veel rekenwerk unieke inzichten mogelijk in de structuur van kleine deeltjes, zoals virussen en andere nanodeeltjes. „Een nadeel: tot nu toe moest men de slechts nanometer grote monsters op een oppervlak vastzetten. Dit kan problematisch zijn voor biologische en delicate monsters, zoals virussen, omdat elke vorm van fixatie het monster automatisch verandert. Het resulterende beeld geeft dus niet de oorspronkelijke toestand weer“, legt Anatoli Ulmer uit, coauteur van de studie en promovendus aan het leerstoel van Prof. Möller aan de TU Berlin.

„Het bijzondere aan onze methode is dat we nanodeeltjes kunnen onderzoeken zonder ze vooraf te moeten veranderen. Daarnaast maakt de methode ook een eenduidige en eenvoudige reconstructie van het monster mogelijk en is het minder gevoelig voor achtergrondruis en andere storingsfactoren in vergelijking met niet-holografische benaderingen“, aldus Anatoli Ulmer.

In deze studie konden de onderzoekers aantonen dat röntgenholografie ook succesvol toegepast kan worden op niet-vaste nanodeeltjes in de gasfase. Het experiment werd leidend uitgevoerd door Dr. Tais Gorkhover, Prof. Dr. Christoph Bostedt en Anatoli Ulmer aan de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser in Californië en werd gekozen voor de voorpagina van de maart-uitgave van Nature Photonics.

Aan de proef werden een referentieobject toegevoegd, waarmee de voorwaarde voor een holografische opname werd geschapen. Als referentie dienden zogenaamde nanoclusters: bolvormige nanoballen van xenon.

Zowel de nanovirussen als de nanoclusters werden samen in de focus van de röntgenlaser geïnjecteerd. Het monster wordt met een laserpuls bestraald in de orde van 100 femtoseconden (1 femtoseconde = 10^-15 seconden). De röntgenstraling wordt zowel door de nanoclusters als door de virussen verstrooid. De resulterende interferentiepatronen van het verstrooide licht worden met een speciale camera vastgelegd en bevatten informatie over de structuur van het virus.

„Zonder holografie moeten de verstrooiingsbeelden in duizenden stappen en met ingewikkelde algoritmen worden geanalyseerd. De structuur wordt dan bepaald door het middelen van honderden mogelijke oplossingen. In tegenstelling tot onze methode kunnen onze hologrammen in slechts twee stappen eenduidig worden geïnterpreteerd“, voegt Dr. Tais Gorkhover toe, de eerste auteur van de studie, leidende wetenschapper van het team dat het experiment heeft uitgevoerd en voormalig medewerker van de TU Berlin, die momenteel onderzoek doet aan de Stanford Universiteit in de VS.

Op de lange termijn zou deze holografische methode nieuwe manieren kunnen openen om bijvoorbeeld nanodeeltjes die een grote rol spelen bij luchtvervuiling, verbrandingsmechanismen en katalyse, beter te bestuderen.

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