趣闻 |不服不行 新方法让X光看见单个原子

纽伦堡大学（FAU）和德国电子同步加速器研究所（DESY，汉堡）的物理学家提出了与常规方法相比，能显著改善X光成像质量的方法。非相干衍射成像（IDI）能帮助更快且分辨率更高地成像纳米晶体或分子中的单个原子。

X光用于结晶学以确定分子结构已超过100年。此方式的核心是衍射和叠加原理，全部的波是主题：光子组成的光被晶体和重叠中的原子偏转——就像缓慢流动的溪流中障碍物形成水波。如果检测器能测量足够数量的光子，就能获得特有的衍射图样或波动图形，从中得到晶体原子结构。这需要光子被相干散射，意味着入射光子和反射光子之间有清晰的相位关系。用水比喻，就是自障碍物偏离的无旋涡或湍流的水波。如果光子散射是非相干的，散射光子之间固定的相位关系消失，就不可能确定原子的排列。

但相干衍射成像也有一个问题。FAU量子光学和量子信息工作组成员Anton Classen解释，可在大多数非相干散射中使用X光，比如光子吸收和随后发射造成的荧光。这造成扩散背景，无法用来相干成像并降低了相干法的重放保真度。

恰好是这一看似不合需要的非相干辐射是FAU研究者新型成像技术的关键。Joachim von Zanthier教授介绍，在我们的方法中，非相干散射X光光子更长时间不被记录，但在时间分辩短快照中记录。单独分析快照时，就能获得关于原子排列的信息。技巧是光衍射在短序列中依然相干。然而，这仅在持续时间不超过几飞秒（1秒的千万亿分之一）的极短X光闪光时是可能的，仅在最近使用自由电子激光器时得以实现（位于汉堡的欧洲XFEL或加利福尼亚的直线加速器相干光源[LCLS]）。

新方法使用荧光，比以前更强的信号，也散射到显著更大的角度，获得更详尽的空间信息。此外，滤镜能用来测量特定原子种类的光。与使用相同波长的X光的相干成像相比，这使得分辨率显著更高地确定分子和蛋白质中单个原子的位置成为可能。此方法能为考察蛋白质结构生物学和药物提供新的动力。

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