Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) começaram a construir um microscópio de raios-X aprimorado por quantum na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Este microscópio inovador, apoiado pelo programa de Pesquisa Biológica e Ambiental no Office of Science do DOE, permitirá aos pesquisadores obter imagens de biomoléculas como nunca antes.

NSLS-II é um DOE Office of Science User Facility, onde os pesquisadores usam poderosos raios-X para 'ver' a estrutura, químico, e composição eletrônica de materiais até a escala atômica. A luz ultrabright da instalação já permite descobertas em biologia, ajudando os pesquisadores a descobrir as estruturas das proteínas para informar o projeto de medicamentos para uma variedade de doenças - para citar apenas um exemplo.

Agora, batendo nas propriedades quânticas dos raios-X, os pesquisadores do NSLS-II serão capazes de obter imagens de biomoléculas mais sensíveis sem sacrificar a resolução. Enquanto o alto poder de penetração dos raios X permite uma resolução superior para estudos de imagem, esta luz poderosa também pode danificar certas amostras biológicas, como células vegetais, vírus, e bactérias. Estudos de raios-X de baixa dosagem podem preservar essas amostras, mas a resolução da imagem é reduzida.

"Se tivermos sucesso na construção de um microscópio de raios-X quântico aprimorado, seremos capazes de obter imagens de biomoléculas com resolução muito alta e uma dose muito baixa de raios-X, "disse Sean McSweeney, gerente do programa de biologia estrutural do NSLS-II.

O microscópio de raios-X quântico aprimorado no NSLS-II alcançará essa notável combinação de recursos por meio de uma técnica experimental chamada imagem fantasma. Em comparação com as técnicas típicas de imagem de raios-X, que enviam um único feixe de fótons (partículas de luz) através de uma amostra e para um detector, a imagem fantasma requer que o feixe de raios-X seja dividido em dois fluxos de fótons emaranhados - apenas um dos quais passa pela amostra, mas ambos reúnem informações.

“Um fluxo passa pela amostra e é coletado por um detector que registra os fótons com boa resolução de tempo, enquanto o outro fluxo de fótons codifica a direção exata em que os fótons se propagam, "disse Andrei Fluerasu, cientista líder da linha de luz da linha de luz Coherent Hard X-ray Scattering (CHX) do NSLS-II, onde o microscópio será desenvolvido. "Parece mágica. Mas com cálculos matemáticos, poderemos correlacionar as informações dos dois feixes. "

Ao dividir o feixe, a amostra em estudo é exposta apenas a uma fração da dose de raios-X. E uma vez que os fótons que não passam pela amostra estão correlacionados com os fótons que o fazem, a resolução de um feixe de raios-X de dose total é mantida.

Técnicas de imagem fantasma já foram desenvolvidas com sucesso usando fótons de luz visível, mas traduzir esta técnica para luz de raios-X será uma grande conquista científica.

O microscópio de raios-X quântico aprimorado no Brookhaven Lab está sendo desenvolvido na linha de luz CHX do NSLS-II, que foi escolhido por sua capacidade de manipular a coerência da fonte de raios-X, permitindo que os cientistas sintonizem os experimentos de imagem fantasma conforme necessário. A configuração existente da CHX também era flexível o suficiente para acomodar a adição de equipamentos novos e avançados, como um divisor de feixe e um novo detector. O NSLS-II colaborará com físicos do Brookhaven Lab e da Stony Brook University na integração desses instrumentos complexos.

"Essas medições exigirão detectores de imagem com a melhor resolução de tempo possível, "disse o físico de Brookhaven Andrei Nomerotski, "e isso é algo que já estamos usando para experimentos de física de alta energia, projetos de ciência da informação quântica, como astrometria quântica, e imagens ópticas rápidas. "

A equipe de projeto do microscópio de raios-X com aprimoramento quântico também colaborará com a Computational Science Initiative (CSI) de Brookhaven na análise de dados. O departamento de biologia do laboratório está em parceria com o NSLS-II para projetar experimentos que explorem os recursos avançados deste microscópio.

"Nossos colegas de Biologia em Brookhaven estão entusiasmados em nos trazer problemas complexos para resolver usando este novo instrumento, "McSweeney disse." Com o envolvimento da Física, Biologia, e CSI, reunimos uma excelente equipe para este projeto inovador. "

"A forte relação de trabalho entre os cientistas da Biologia e do NSLS-II reúne problemas científicos do mundo real e capacidades avançadas, entregando soluções de ponta para problemas relativos à missão DOE, "disse John Shanklin, Presidente do departamento de biologia do Laboratório. "É uma situação ganha-ganha."

A equipe planeja integrar gradualmente novas funcionalidades na linha de luz CHX nos próximos dois a três anos. O projeto será concluído com a demonstração de imagens fantasmas de objetos de tamanho mícron com resolução abaixo de 10 nanômetros, que está previsto para 2023.