Una nueva técnica permite obtener imágenes de moléculas individuales

Un experimento pionero aprovecha las propiedades cuánticas de la luz de rayos X

04.05.2023 - Alemania

Un equipo internacional de investigadores ha logrado por primera vez utilizar rayos X para una técnica de obtención de imágenes que explota una propiedad cuántica particular de la luz. Como describen los investigadores en su trabajo que acaba de publicarse en la revista Physical Review Letters, esta técnica podría permitir obtener imágenes de macromoléculas no cristalizadas.

DESY, Fabian Trost

La luz emitida por fuentes luminosas independientes, como la fluorescencia de los átomos, crea ondas en tiempos aleatorios y, por tanto, con fases aleatorias. Si se mide dentro de su tiempo de coherencia, esta luz interferirá y producirá un patrón de moteado como el que se muestra en la imagen de fondo. Este patrón no es estacionario y la suma de muchos de estos patrones tendrá una distribución uniforme. Sin embargo, si se calculan las correlaciones de pares de cada patrón y luego se suman, las fases aleatorias se promediarán para dejar un mapa del contenido de frecuencia espacial (vector q) de las fuentes. La suma de más de 58 millones de correlaciones de instantáneas de fluorescencia de rayos X se muestra en el inserto de la izquierda, que se analizó mediante métodos de imagen difractiva coherente para producir una imagen de alta resolución de la fuente -aquí dos puntos iluminados en un disco de cobre giratorio.

El equipo de investigadores, dirigido por Henry Chapman, científico principal del DESY y profesor de la Universidad de Hamburgo, utilizó pulsos de rayos X muy intensos del láser europeo de electrones libres XFEL para generar fotones de fluorescencia que llegaran casi simultáneamente al detector, en un intervalo de tiempo inferior a un femtosegundo (una cuatrillonésima de segundo). Calculando las correlaciones fotón-fotón de la fluorescencia de rayos X emitida por los átomos de cobre iluminados, se pudieron obtener imágenes de la emisión.

Las estructuras de materiales y macromoléculas suelen determinarse a escala atómica mediante cristalografía de rayos X. Aunque esta técnica se basa en la dispersión coherente de rayos X, los procesos incoherentes como la emisión de fluorescencia pueden dominar aunque no contribuyan de forma útil a la medida de difracción. En su lugar, añaden una niebla o fondo sin características a los datos medidos.

Pero ya en la década de 1950, dos astrónomos británicos demostraron que es posible extraer información estructural de la luz emitida por fuentes autoluminosas, en su caso estrellas. El método de Robert Hanbury Brown y Richard Twiss -llamado interferometría de intensidad- abrió una nueva puerta a la comprensión de la luz e inició el campo de la óptica cuántica.

Recientemente, científicos de la Universidad de Erlangen, el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia y DESY propusieron que la interferometría de intensidad podría adaptarse para la obtención de imágenes de resolución atómica mediante fluorescencia de rayos X. El reto de extender esta idea a los rayos X es que el tiempo de coherencia de los fotones, que dicta el intervalo de tiempo disponible para realizar correlaciones fotón-fotón, es extremadamente breve. Está determinado por el tiempo de desintegración radiativa del átomo excitado, que en el caso de los átomos de cobre es de unos 0,6 femtosegundos.

Ahora, el grupo, junto con científicos de la Universidad de Uppsala y del XFEL europeo, ha superado ese reto utilizando pulsos de femtosegundos de duración del XFEL de esa instalación para iniciar fotones de fluorescencia de rayos X dentro del tiempo de coherencia. Generaron una fuente consistente en dos puntos fluorescentes en una lámina de cobre y midieron la fluorescencia en un detector de un millón de píxeles situado a ocho metros de distancia. "Para este experimento pionero hemos recogido más de tres petabytes de datos, la mayor cantidad jamás obtenida en un experimento del XFEL europeo", explica el autor principal, Fabian Trost, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) del DESY. "Sin embargo, dado que la señal escala con el cuadrado de la intensidad, vemos que debería ser posible reducirla sustancialmente en nuestros futuros experimentos".

Sólo se detectaron unos 5.000 fotones en cada pulso de iluminación, y la suma acumulada en 58 millones de disparos dio sólo una distribución uniforme sin rasgos. Sin embargo, cuando sumaron las correlaciones fotón-fotón, apareció un patrón de franjas similar al del famoso experimento de la doble rendija. Este patrón de franjas es la pistola humeante que indica la interferencia de fotones de rayos X separados. A continuación, se analizó el patrón de franjas como si se tratara de un campo de ondas coherente para reconstruir una imagen de la fuente fluorescente, formada por dos manchas bien separadas.

"Aunque la idea de la interferencia de ondas independientes dentro del tiempo de coherencia puede entenderse de forma clásica y puede observarse en la interferencia de emisoras de radio, por ejemplo, con los rayos X estamos tratando en gran medida con cuantos de alta energía", afirma Chapman, que es investigador del Clúster de Excelencia CUI: Imágenes Avanzadas de la Materia. "Cada fotón de fluorescencia nace dentro de un único átomo, y estos fotones se localizan después en píxeles específicos de nuestro detector. Sin embargo, estos fotones llevan información oculta que sólo se revela cuando se examinan sus correlaciones fotón-fotón de orden superior".

Los científicos esperan ahora combinar este novedoso método con la difracción para obtener imágenes de moléculas individuales. La fluorescencia proporcionará subestructuras específicas de átomos concretos e incluso estados químicos particulares de esos átomos, lo que podría ayudar a desentrañar el funcionamiento de enzimas importantes como las implicadas en la fotosíntesis.

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