Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han comenzado a construir un microscopio de rayos X mejorado cuánticamente en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II). Este innovador microscopio, apoyado por el programa de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del DOE, permitirá a los investigadores obtener imágenes de biomoléculas como nunca antes.

NSLS-II es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE donde los investigadores utilizan potentes rayos X para 'ver' la estructura, químico, y composición electrónica de materiales hasta la escala atómica. La luz ultrabrillante de la instalación ya permite descubrimientos en biología, ayudar a los investigadores a descubrir las estructuras de las proteínas para informar el diseño de fármacos para una variedad de enfermedades, por nombrar solo un ejemplo.

Ahora, aprovechando las propiedades cuánticas de los rayos X, Los investigadores de NSLS-II podrán obtener imágenes de biomoléculas más sensibles sin sacrificar la resolución. Si bien el alto poder de penetración de los rayos X permite una resolución superior para estudios de imágenes, esta poderosa luz también puede dañar ciertas muestras biológicas, como las células vegetales, virus y bacterias. Los estudios de rayos X de dosis baja pueden preservar estas muestras, pero la resolución de la imagen se reduce.

"Si tenemos éxito en la construcción de un microscopio de rayos X mejorado cuánticamente, Podremos obtener imágenes de biomoléculas con una resolución muy alta y una dosis muy baja de rayos X, "dijo Sean McSweeney, gerente del programa de biología estructural en NSLS-II.

El microscopio de rayos X mejorado cuánticamente en NSLS-II logrará esta notable combinación de capacidades a través de una técnica experimental llamada imagen fantasma. En comparación con las técnicas típicas de imágenes de rayos X, que envían un solo haz de fotones (partículas de luz) a través de una muestra y hacia un detector, Las imágenes fantasma requieren que el haz de rayos X se divida en dos corrientes de fotones entrelazados, de los cuales solo uno pasa a través de la muestra. pero ambos recopilan información.

"Una corriente atraviesa la muestra y es recogida por un detector que registra los fotones con una buena resolución de tiempo, mientras que la otra corriente de fotones codifica la dirección exacta en la que se propagan los fotones, "dijo Andrei Fluerasu, científico principal de la línea de luz en la línea de luz de dispersión coherente de rayos X (CHX) de NSLS-II, donde se desarrollará el microscopio. "Suena a magia. Pero con cálculos matemáticos, podremos correlacionar la información de los dos haces ".

Al dividir el rayo, la muestra en estudio solo está expuesta a una fracción de la dosis de rayos X. Y dado que los fotones que no pasan a través de la muestra están correlacionados con los fotones que sí lo hacen, se mantiene la resolución de un haz de rayos X de dosis completa.

Las técnicas de imágenes fantasma ya se han desarrollado con éxito utilizando fotones de luz visible, pero traducir esta técnica a rayos X será un gran logro científico.

El microscopio de rayos X mejorado cuánticamente en Brookhaven Lab se está desarrollando en la línea de luz CHX de NSLS-II, que fue elegido por su capacidad para manipular la coherencia de la fuente de rayos X, permitiendo a los científicos ajustar los experimentos de imágenes fantasma según sea necesario. La configuración existente de CHX también era lo suficientemente flexible como para adaptarse a la adición de equipos nuevos y avanzados, como un divisor de haz y un detector nuevo. NSLS-II colaborará con físicos en Brookhaven Lab y Stony Brook University en la integración de estos complejos instrumentos.

"Estas mediciones requerirán detectores de imágenes con la mejor resolución de tiempo posible, "dijo el físico de Brookhaven Andrei Nomerotski, "y esto es algo que ya estamos usando para experimentos de física de alta energía, proyectos de ciencia de la información cuántica como la astrometría cuántica, e imágenes ópticas rápidas ".

El equipo del proyecto del microscopio de rayos X mejorado cuánticamente también colaborará con la Iniciativa de Ciencia Computacional (CSI) de Brookhaven en el análisis de datos. El departamento de biología del laboratorio se ha asociado con NSLS-II para diseñar experimentos que exploten las capacidades avanzadas de este microscopio.

"Nuestros colegas de biología en Brookhaven están entusiasmados de traernos problemas complejos para resolver con este nuevo instrumento, ", Dijo McSweeney." Con la participación de Física, Biología, y CSI, hemos reunido un excelente equipo para este innovador proyecto ".

"La sólida relación de trabajo entre la biología y los científicos de NSLS-II reúne problemas científicos del mundo real y capacidades avanzadas, ofrecer soluciones de vanguardia para problemas relacionados con la misión del DOE, "dijo John Shanklin, Presidente del departamento de biología del laboratorio. "Es una situación en la que todos ganan".

El equipo planea integrar gradualmente nuevas funcionalidades en la línea de luz CHX durante los próximos dos o tres años. El proyecto se completará con la demostración de imágenes fantasma de objetos del tamaño de una micra con una resolución inferior a 10 nanómetros. que está previsto para 2023.