从高强度x射线光束优化脉冲,以实现对单个粒子的超快成像

时间:2020-04-17 21:02 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

从高强度x射线光束优化脉冲,以实现对单个粒子的超快成像

通过实验和计算数据的结合,研究人员发现了优化高强度x射线脉冲的途径。

长期以来,科学家们一直在追求一种能力,即在原子分辨率下观察单个自由形态分子的结构,许多人将这种能力称为“神圣的能量”。的成像。一种可能的方法是将极短、高强度的x射线自由电子激光(XFEL)脉冲对准样品材料。但是这种超快成像技术也会破坏目标,所以时间是至关重要的。

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员正在通过实验和计算机模拟相结合的方式推进这项工作,以了解XFEL脉冲是如何与目标相互作用的。最近,由argonne的原子分子光学物理小组领导的化学科学和工程部的一个小组精确地指出了一个重要的,但经常被忽视的参数,它可以影响实验结果:时间。他们的论文,瞬态共振在单蔗糖纳米团簇超快速成像中的作用最近发表在《自然通讯》杂志上。

例如,在原子尺度上检查3D结构的能力有助于我们更好地了解病毒,并更有效地将药物送到人体。今天,这种分析需要将材料以晶体的形式进行研究。生物粒子以这种非天然的形式固定下来,因此当x射线照射它们时,光束就会散射,形成一种衍射模式,可以用来理解分子结构。

但是许多类型的生物系统不能很好地结晶,而且晶体可能太小而不能产生良好的衍射图案。或者结晶可能改变结构,阻止观察粒子的自然状态。要在不使材料结晶的情况下创建散射模式,需要像XFEL那样的超强光束,以令人难以置信的速度爆发。

在这种实验中,你需要很强的脉冲,脉冲能很快地破坏样品。论文作者之一、阿尔贡(Argonne)物理学家何斐(Phay Ho)说。用这种方法,你需要使用非常短的脉冲,这样你就可以在样品被破坏之前收集所有的散射信号。

这种与时间的赛跑是以飞秒为单位来衡量的,其中一秒相当于十亿分之一秒的百万分之一。为了研究不同的参数如何影响XFEL实验的结果,跨学科的研究团队使用Linac相干光源(LCLS)研究了单个纳米蔗糖簇,LCLS是斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的一个XFEL。

你在储存环型光源中观察到的晶体,如阿贡先进的光子光源(APS),与XFEL不同,其大小一般在10微米左右。Argonne杰出研究员和论文合著者Linda Young说。我们在这项研究中看到的结构至少比原来小200倍。纳米大小.”

然后,研究人员将实验数据与在Argonne Leadership Computing Facility (ALCF)的超级计算机Mira上运行的计算进行了比较。这涉及到一个大规模的分子模拟系统,该系统跟踪了4200万个粒子与XFEL脉冲的相互作用;超级计算机的工作。

当你有像Mira这样的机器时,你可以运行大量的模拟,你可以在同一时间做所有的模拟,你可以在我们需要的时间范围内运行这些模拟,来完成这项特殊的研究。Christopher Knight说,他是ALCF和argonne计算科学部门的计算科学家,也是这篇论文的作者之一。

研究发现,当XFEL脉冲在蔗糖上时,越短越好。希望增强成像结果的科学家可能会使用200飞秒的脉冲长度。但事实证明,十亿分之一秒的2亿分之一可能太过悠闲了。

如果你用这么长时间的脉冲,你实际上会大大降低信号的质量。何鸿燊说。为了做这种类型的成像,脉冲应该只持续几飞秒。重要的是不仅要看光子的数量,还要看单位时间内光子的数量。

计算机建模将帮助研究人员优化未来的实验,锁定能产生最佳结果的参数。

要得到做这些实验所需的光束时间并不容易。何鸿燊说。这些数据对于找出最佳脉冲条件以进行下一步试验是非常有用的。

参考:"瞬态共振的作用,超快速成像单蔗糖纳米簇"由Phay J. Ho,Benedikt J。 道雷尔、马克斯·汉特克、约翰·比耶茨基、安德烈·哈达德、马克西米利安·布彻、吉尔斯·杜米、肯·弗格森、莱昂尼·弗莱乌姆;凯格尔、泰斯·戈尔霍弗、比安卡·伊万、克里斯托弗·奈特、斯特凡·莫勒、东奥西波夫、迪潘维塔·雷、斯蒂芬·南沃斯、马丁·斯文达、尼库索·蒂姆纳彼得·沃尔特、亚诺斯·哈伊杜、琳达·扬、菲利佩·马亚和克里斯托夫·博斯泰特,2020年1月9日,《自然通讯》。

DOI: 10.1038/s41467-019-13905-9

ALCF、APS和LCLS是美国能源部科学用户设施办公室。

的这项工作是由不基础能源科学、瑞典研究理事会,瑞典基金会国际合作研究和高等教育(工作)、大众汽车(Volkswagen)的彼得·保罗·埃瓦尔德奖学金基金会,克努特和爱丽丝?瓦伦堡基金会欧洲研究理事会和瑞典战略研究的基础。在ALCF的计算时间是通过doe&rcrleadership计算挑战赛授予的。

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