16.03.2018

Röntgenholographie hebt ab

In-Flight-Holographie von frei fliegenden Nanopartikeln mit kurzen Laserpulsen.

Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Thomas Möller am Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin ist es gemeinsam mit einem internationalen Team gelungen, eine neue Art der Holographie, die „In-Flight-Holo­graphie“ zu entwickeln. Mit dieser speziellen Art von Röntgen­holographie konnten sie erstmalig hoch­auflösende Bilder von Nanoviren erzeugen, die vorher nicht an eine Oberfläche fixiert werden mussten – also „im Flug“ waren.

Abb.: Aus dem Röntgen-Hologramm lassen sich Größe und räumliche Orientierung der Kugeln zurückgewinnen. (Bild: T. Gorkhover & A. Ulmer)

Holographie beruht im weitesten Sinne auf der Interferenz von Licht­strahlen. Ein Hologramm entsteht, wenn Licht an einem Objekt gestreut und mit einem Referenz­strahl überlagert wird. Diese Überlagerung führt zu einzigartigen Interferenzmustern, aus denen man mit Hilfe spezieller Algorithmen die Information über die Struktur des Objektes errechnen kann. So lässt sich beispiels­weise bei optischen Holo­grammen die drei­dimensionale Struktur eines Objekts feststellen.

Im Röntgenbereich ist die Holographie ein mächtiges Werkzeug und erlaubt ohne viel Rechen­aufwand einzigartige Einblicke in die Struktur von winzigen Teilchen, wie Viren und andere Nano­partikel. „Ein Nachteil: Bis jetzt musste man die nur Nanometer großen Proben auf einer Oberfläche fixieren. Dies kann für biologische und empfindliche Proben, wie zum Beispiel Viren, ein Problem darstellen, da jede Art der Fixierung die Probe automatisch verändert. Das resultierende Bild gibt also nicht den Original­zustand wieder“, erläutert Anatoli Ulmer, Koautor der Studie und Doktorand am Lehrstuhl von Thomas Möller an der TU Berlin.

„Das Besondere an unserer Methode liegt zum einen daran, dass wir Nano­partikel untersuchen, ohne sie vorher verändern zu müssen. Zusätzlich ermöglicht das Verfahren auch eine eindeutige und einfache Rekonstruktion der Probe und ist weniger anfällig für Hintergrund­rauschen und andere Stör­faktoren im Vergleich zu nicht-holo­graphischen Ansätzen“, so Ulmer.

In dieser Studie konnten die Forscher zeigen, dass Röntgen­holographie auch an nicht-fixierten Nano­teilchen in der Gasphase erfolgreich angewendet werden kann. Das Experiment wurde feder­führend von Tais Gorkhover, Christoph Bostedt und Anatoli Ulmer am Linac Coherent Light Source (LCLS) Röntgenlaser in Kalifornien durchgeführt und für das Titel­blatt der März­ausgabe von Nature Photonics ausgewählt.

Zu den Viren in der Probe wurde ein Referenz­objekt gegeben und damit die Bedingung für eine holo­graphische Aufnahme geschaffen. Als Referenz dienten dabei Nanocluster: kugelförmige Nano­bällchen aus Xenon. Sowohl die Nanoviren wie die Nano­cluster wurden zusammen in den Fokus des Röntgen­lasers injiziert. Die Probe wird mit einem Laser­puls in der Größenordnung von 100 Femto­sekunden bestrahlt. Die Röntgenstrahlung wird sowohl an den Nanoclustern als auch an den Viren gestreut. Die resultierenden Interferenz­muster des gestreuten Lichtes werden mit einer speziellen Kamera aufgezeichnet und enthalten Informationen über die Struktur des Virus.

„Ohne Holographie müssen die Streubilder in tausenden von Schritten und mit komplizierten Algorithmen analysiert werden. Die Struktur resultiert dann aus der Mittelung von hunderten möglichen Lösungen. Im Gegen­satz dazu können unsere Holo­gramme in nur zwei Schritten eindeutig interpretiert werden”, ergänzt Tais Gorkhover, leitende Wissenschaftlerin des für das Experiment zusammen­gestellten Teams und ehemalige Mitarbeiterin der TU Berlin, die derzeit an der Stanford Universität in den USA forscht. Auf lange Sicht könnte dieses holographische Verfahren neue Wege ermöglichen, um beispielsweise Nano­teilchen, die bei Luft­verschmutzung, Verbrennungs­mechanismen und Katalyse eine große Rolle spielen, besser studieren zu können.

TU Berlin / DE

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