Bildgebung mit diffuser Lichtstreuung

  • 13. November 2017

Strukturanalyse auch mit inkohärenter Strahlung möglich.

Mit Hilfe von Röntgen­mikroskopen blicken Wissen­schaftler in die faszinierende Welt von Atomen und Molekülen. Ein revolu­tionärer Schritt in der Weiter­entwicklung dieser Techno­logie ist jetzt Physikern der Univer­sität Erlangen-Nürnberg FAU, des Deutschen Elektronen Synchro­trons DESY, Hamburg, sowie der Univer­sität Hamburg gelungen. Sie haben eine Methode entwickelt und getestet, die wesent­lich effektiver als herkömm­liche Verfahren ist.

Abb.: Elektronen-Mikroskop-Aufnahme der untersuchten hexagonalen Benzolring-Struktur (li.) und eine rekonstruierte Abbildung der Benzolring-Struktur mit Hilfe der auf inkohärentem Licht fußenden neuen Methode (re.). In Zukunft könnte diese Methode genutzt werden, um mit kurzwelliger Röntgenstrahlung einzelne Atome mit noch höherer Auflösung abzubilden. (Bild: FAU / NPG)

Abb.: Elektronen-Mikroskop-Aufnahme der untersuchten hexagonalen Benzolring-Struktur (li.) und eine rekonstruierte Abbildung der Benzolring-Struktur mit Hilfe der auf inkohärentem Licht fußenden neuen Methode (re.). In Zukunft könnte diese Methode genutzt werden, um mit kurzwelliger Röntgenstrahlung einzelne Atome mit noch höherer Auflösung abzubilden. (Bild: FAU / NPG)

Herkömm­liche Verfahren, mit denen Forscher die Struktur von Kristallen und Molekülen bestimmen, basieren auf der kohä­renten Licht­beugung. Das heißt die Licht­welle, die auf eine Struktur trifft und dort abgelenkt wird, schwingt gleichförmig weiter, ohne dass das Muster aus Wellen­bergen und -tälern gestört oder unter­brochen wird. Misst man ausreichend viele dieser Photonen mit einem Detektor, erhält man ein charak­teristisches Beugungs­bild, aus dem die Anordnung der streuenden Atome bzw. die Kristall­struktur abgeleitet werden kann.

Die meisten Licht­wellen werden jedoch inko­härent abgelenkt, das heißt, dass das Wellen­muster der ausfal­lenden Welle nicht mehr in einer direkten Beziehung zur einfal­lenden Welle steht, weil das Licht von den Atomen, auf die es trifft, als spontanes Fluoreszenz­licht abgestrahlt wird. So entsteht ein diffuses Hintergrund­leuchten, von dem man bisher dachte, dass es nicht für die Bild­gebung genutzt werden kann, sondern vielmehr die Abbildungs­treue des Verfahrens verringert. Doch genau diese inkohä­rente Strahlung machten sich die Forscher nun erstmals zunutze, um eine Struktur zu ana­lysieren.

Am DESY bildeten sie mit Hilfe von diffus gestreutem, weichem Röntgen­licht erfolg­reich eine sechseckige mikrometer­große Struktur in Form eines Benzol­ringes ab. Die grundlegende Technik des Verfahrens ist dabei nicht neu. Bereits 1956 verwendeten Robert Hanbury Brown und Richard Q. Twiss inkohä­rentes Licht, um den Durch­messer von Sternen zu bestimmen. Dieses Verfahren hat das Forscher­team aus Erlangen und Hamburg jetzt verfeinert und auf die Analyse mikro­skopischer Strukturen übertragen.

Die neuartige Methode weist dabei einen weiteren entschei­denden Vorteil auf. „Je kleiner die abzu­bildenden Strukturen werden, desto größer wird der Anteil des inko­härent gestreuten Lichts“, erläutert Raimund Schneider von der FAU. „Während die kohä­rente Bildgebung hier mit zunehmenden Intensitäts­problemen zu kämpfen hat, profi­tiert unsere Methode davon.“ Das Verfahren birgt somit das Potential einer grund­legenden Verbesserung der Struktur­analyse in Biologie und Medizin.

FAU / JOL

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