憑藉激光，科學家首創了病毒的X射線全息圖像

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】全息攝影與攝影一樣，是記錄我們周圍世界的一種方式。兩者都使用光來製作記錄，但全息圖不是二維照片，而是重現三維形狀。形狀是從光線從物體上跳出後形成的圖案推斷出來的，並干擾另一個作為參考的光波。當用X射線光線製作時，全息照相可以成為捕獲納米級物體的高解析度圖像的一種非常有用的方法 ——它的體積非常小，其尺寸以納米或十億分之一米為單位進行測量。到目前為止，X射線全息術僅限於形成晶體的物體或依賴於樣品在表面上的仔細定位。然而許多納米尺寸的顆粒是非結晶的，壽命短且非常脆弱。當放置在表面上時，它們也可能在實驗期間遭受變化或損壞。氣溶膠，物質的外來狀態和最小的生命形式往往屬於這些類別，因此很難用傳統的成像方法進行研究。

在這項新的研究中，作者用來自參考球體的散射X射線（主圖像）疊加了來自模擬病毒的散射X射線光。來自兩個對象的疊加圖像中的曲率提供了深度信息和關於病毒形狀的細節。基於實驗期間收集的X射線衍射圖，右下角的圖像是病毒的全息重建。圖片信息及版權：Anatoli Ulmer和Tais Gorkhover /柏林技術大學和SLAC國家加速器實驗室

然而許多納米尺寸的顆粒是非結晶的，壽命短且非常脆弱。當放置在表面上時，它們也可能在實驗期間遭受變化或損壞。氣溶膠，物質的外來狀態和最小的生命形式往往屬於這些類別，因此很難用傳統的成像方法進行研究。研究人員最近在Nature Photonics的 2018年3月發表的一篇研究報告中發展了一種新的全息方法，稱為飛行中全息。通過這種方法，他們能夠展示沒有附著在任何錶面上的納米級病毒的第一張X射線全息圖。創建圖像所需的圖案是在美國能源部SLAC國家加速器實驗室的X射線自由電子激光器Linac相干光源（LCLS）上拍攝的。

已經在LCLS上研究了納米病毒而沒有全息參考，但是對X射線圖像的解釋需要許多步驟，依賴於人類輸入並且是計算上具有挑戰性的任務。在這項新的研究中，作者用來自參考納米級球體的散射X射線光將來自病毒的散射X射線光疊加。來自兩個物體的疊加圖像中的曲率提供了深度信息和關於450納米寬病毒（即mimivirus）形狀的細節。這種技術大大簡化了數據的解釋。首席研究作者Tais Gorkhover表示，SLAC的Panofsky研究員和研究員，研究人員Tais Gorkhover說：與成千上萬的步驟和演算法相比，可以通過兩步程序清楚地從圖像中獲取結構。現在科學家們可以用全息方法在幾分之一秒甚至更快的時間內重建樣品。

顯示飛行中全息原理的插圖。（左）X射線散射出兩個球體並形成特徵衍射圖案。這些圖案使用SLAC的X射線激光器非常強烈的X射線束，即利納克相干光源（LCLS）進行記錄。（中心）球體的尺寸和距離的變化反映在可從衍射單獨直接轉換的圖案中。較小的球體可以充當全息參考。（右）如果球體偏離平面，衍射圖案的細線變得彎曲。參考的位置和大小的特徵使研究人員能夠重建小球（參考）和大球之間的三維距離。圖片信息及版權：Anatoli Ulmer and Tais Gorkhover / The Technical University of Berlin and SLAC National Accelerator Laborator

美國能源部Argonne國家實驗室的科學家Christoph Bostedt說：在我們的研究之前，X射線圖像的解釋非常複雜，納米樣品的結構在實際實驗後使用非平凡演算法重建很長時間，採用"飛行中"全息技術，程序非常簡單，原則上可以在採集數據的同時進行，這是一個真正的突破。合著者兼研究人員Anatoli Ulmer說：飛行中全息攝影方法的另一個優點是，與非全息X射線成像相比，飛行中的全息攝影方法更容易出現噪音和出現在探測器中的偽影。從長遠來看，研究人員預測，飛行中全息照相將提供研究空氣污染，燃燒和催化過程的新方法，所有這些過程都涉及納米顆粒。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Photonics

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：SLAC國家加速器實驗室

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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