Bildgebung mit Röntgenstrahlen

Neues Verfahren ermöglicht ultraschnelle 3D-Bilder von Nanostrukturen

Bei einem neu entwickelten Verfahren können bei einem Objekt mit einem einzelnen Laserimpuls zwei Aufnahmen aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden, welche dann zu einem räumlichen Bild zusammengesetzt werden. Proteinstrukturen von Viren können so z.B. deutlich schneller analysiert werden.

Die künstlerische Darstellung zeigt die grundlegenden Elemente des Experiments. Das Objekt (Ausgeschnittenes Kreuz Bildmitte) wird aus zwei Richtungen mit einem Röntgenlaserpuls beleuchtet. Die sternförmigen Beugungsbilder werden dann in einem weiteren Schritt zu einem 3-D Objekt rekonstruiert (unten links). © Dr. Hamed Merdji, CEA-Saclay

Linsenlose Mikroskopie mit Röntgenstrahlen, oder coherent diffractive imaging, ist in der Bildgebung ein vielversprechender Ansatz. Sie bietet die Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Strukturen, wie sie in der Natur häufig vorkommen, dynamisch zu untersuchen. Während zweidimensionale Aufnahmen bereits schnell und effizient erstellt werden können, sind 3-D-Aufnahmen bisher noch eine Herausforderung. In der Regel wird von einem Objekt aus hunderten Einzelaufnahmen rechnerisch ein dreidimensionales Bild erzeugt. Dies bedeutet einen hohen zeitlichen Aufwand, große Datenmengen und hohe Strahlungssummen.

Einem Team aus Forschenden unter Beteiligung der Leibniz Universität Hannover ist es nun gelungen, diesen Prozess deutlich zu beschleunigen. Sie entwickelten ein Verfahren, bei dem von einem Objekt mit einem einzelnen Laserimpuls zwei Aufnahmen aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden können, welche dann zu einem räumlichen Bild zusammengesetzt werden; ähnlich wie das menschliche Gehirn aus den zwei leicht unterschiedlichen Bildern der beiden Augen ein Stereobild formt.

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Das Verfahren des computergestützten räumlichen Sehens ist im Bereich des maschinellen Sehens und der Robotik bereits etabliert. Hier wird es erstmals im Bereich der Bildgebung mit Röntgenstrahlen eingesetzt. „Unser Verfahren ermöglicht 3-D-Rekonstruktionen im Nanometerbereich mit einer einzigen Aufnahme, welche sich aus zwei Bildern mit unterschiedlichem Blickpunkt zusammensetzt“ erläutert Professor Milutin Kovacev vom Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover und einer der Mitautoren der Studie.

Die Autorinnen und Autoren erwarten, dass das Verfahren großen Einfluss auf die 3-D-Strukturabbildung von einzelnen Makromolekülen haben wird und sehen Anwendungsmöglichkeiten in Biologie, Medizin und Industrie. So könnte zukünftig etwa die Proteinstruktur eines Virus schnell und mit wenig Aufwand untersucht werden. Die Proteinstruktur hat einen entscheidenden Einfluss auf Funktion und Verhalten eines Virus spielt bei medizinischen Diagnosen eine entscheidende Rolle.

Ihre Ergebnisse hat das Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Frankreich, Deutschland und Portugal nun im Fachmagazin Nature Photonics veröffentlicht. Die Arbeit wurde von Laserlab Europe gefördert, einem Konsortium europäischer Labore zur Stärkung der interdisziplinären Laserforschung.

Originalartikel:
Computed stereo lensless X-ray imaging
J. Duarte, R. Cassin, J. Huijts, B. Iwan, M. Kholodtsova, F. Fortuna, L. Delbecq, H. Chapman, M. Fajardo, M. Kovacev, W. Boutu and H. Merdji. Nature Photonics 13. 
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0419-1

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