“鬼成像”。在這種研究方法中，科學(xué)家們將一束x射線(由粗的粉紅色線表示)分成兩束糾纏的光子束(細(xì)的粉紅色線)。其中只有一束能通過樣品(用清晰的圓圈表示)，但兩束都能收集信息。通過分離光束，研究樣品只用受到小劑量x射線的輻射。

美國能源部(DOE)布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的科學(xué)家們?cè)趪彝郊铀倨鞴庠碔I (NSLS-II)上設(shè)計(jì)了一個(gè)量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡。這個(gè)顯微鏡由美國能源部科學(xué)辦公室的生物和環(huán)境研究項(xiàng)目支持，它將讓研究人員用一種全新的方法對(duì)生物分子進(jìn)行成像。

NSLS-II是DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，研究人員可以使用強(qiáng)大的X射線“查看”原子級(jí)材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)及電子組成。該設(shè)施的超亮光已經(jīng)促成了生物學(xué)領(lǐng)域的一些發(fā)現(xiàn)，例如幫助研究人員發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為多種疾病的藥物研究提供了信息。

現(xiàn)在，利用X射線的量子特性，NSLS-II的研究人員將能夠在不犧牲分辨率的情況下對(duì)更敏感的生物分子進(jìn)行成像。雖然X射線的高穿透能力可以為成像研究提供超高的分辨率，但這種強(qiáng)光也會(huì)損壞像細(xì)胞、病毒和細(xì)菌這樣的生物樣本。降低輻射劑量是解決這一問題的一種方法，但不幸的是，這也降低了圖像的分辨率。

“如果我們能夠成功構(gòu)建量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡，我們將能夠用高分辨率和低輻射劑量的X射線對(duì)生物分子進(jìn)行成像。” NSLS-II的結(jié)構(gòu)生物學(xué)項(xiàng)目經(jīng)理Sean McSweeney說。

NSLS-II的量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡將通過一種叫“鬼成像”的實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這兩種非凡的功能結(jié)合。典型的X射線成像技術(shù)只發(fā)射一束光穿過樣品并進(jìn)入探測(cè)器，與之相比，鬼影成像則需要將X射線分成兩束糾纏的光束，其中只有一束穿過樣本，但是兩者都收集信息。

NSLS-II的硬x射線相干散射(CHX)光束線站

科學(xué)家們將會(huì)在的NSLS-II的硬X射線相干散射（CHX）光束線站上開發(fā)這個(gè)顯微鏡，該線站的首席科學(xué)家Andrei Fluerasu說：“其中一束穿過樣品并被一個(gè)具有較高時(shí)間分辨率的探測(cè)器收集，而另一束則編碼光子傳播的確切方向。這聽起來像魔術(shù)，但是通過數(shù)學(xué)計(jì)算，我們可以將這兩束光的信息聯(lián)系起來。”

通過分離光束，所研究的樣品只需要使用低劑量的X射線。由于未通過樣品的光子與通過樣品的光子具有相干性，因此可以保持全劑量X射線束的分辨率。

BNL的量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡是在NSLS-II的CHX光束線站上研發(fā)的，之所以選擇它是因?yàn)樗軌虿倏vX射線源的相干性，這使科學(xué)家能夠根據(jù)需要調(diào)整鬼成像實(shí)驗(yàn)。CHX的現(xiàn)有設(shè)置也足夠靈活，可以適應(yīng)新的和先進(jìn)的設(shè)備，例如分束器和新的探測(cè)器。

BNL的物理學(xué)家Andrei Nomerotski說：“這些測(cè)量要求成像探測(cè)器具有最佳的時(shí)間分辨率，而這正是我們已經(jīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)，量子信息科學(xué)項(xiàng)目（例如量子天體測(cè)量）和光學(xué)快速成像的東西。”

量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還將與BNL的CSI合作進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)部門正與NSLS-II合作利用該顯微鏡的先進(jìn)功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室生物學(xué)部門主任John Shanklin說：“在物理學(xué)部門，生物學(xué)部門和CSI的共同參與下，我們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目組建了一支優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)?！?/span>該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來兩到三年內(nèi)逐步將新功能集成到CHX線站中。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，它應(yīng)該在2023年開始運(yùn)行。