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Molekulare Röntgenstrahlen so einfach wie Brustkorb-Röntgen?

Die Abbildung molekularer Strukturen auf Atomebene erfordert heute noch den Einsatz der nur begrenzt verfügbaren und sehr teuren Synchrotrone oder Linearbeschleunigeranlagen. Wissenschaftler konnten die Möglichkeiten zur Nutzung von Lasern zur Fertigung von Auftischgeräten für diesen Zweck erweitern.
Molekulare Röntgenstrahlen so einfach wie Brustkorb-Röntgen?
Der Einsatz von Lasern bietet die faszinierende Chance, ein kompaktes Auftisch-Röntgenmikroskopiesystem zur Abbildung lebender Systeme zu bauen. Laserlicht ist monochromatisch, was bedeutet, dass es genau eine Farbe, eine Frequenz und eine Wellenlänge hat. Die Fortschritte der Technik haben bereits den möglichen Wellenlängenbereich aus dem sichtbaren Spektrum bis in den ultravioletten (UV) und mittleren Infrarotbereich (IR) erweitert. Dieses Spektrum bis in die Welt der Röntgenstrahlen auszudehnen, wird mit Hilfe der Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung (Frequenzverdopplung bzw. Frequenzverdreifachung, High Harmonic Generation, HHG) möglich. Mit Hilfe der Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung kann die Frequenz des Lasers in seine Vielfachen umgewandelt werden, um ein breites Lichtspektrum zu erzeugen, das UV- und Röntgenfrequenzen enthält.

Obwohl Harmonische hoher Ordnung schon seit den 1980er Jahren bekannt sind, gestaltet sich die Erzeugung einer intensiven und fokussierten Strahlung oberhalb von Photonenenergien um 100 Elektronenvolt (eV) immer noch recht schwierig. Um die detailgenaue biologische Bildgebung zu ermöglichen, musste die Wissenschaft diese technische Herausforderung überwinden. Die Forscher konzentrierten sich auf den Einsatz eines Wasserfensters, da Wasser weiche Röntgenstrahlen durchlässt, während es Elemente wie Kohlenstoff (in biologischen Proben reichlich vorhanden) absorbiert.

Das EU-finanzierte Projekt BAXHHG trug maßgeblich zur Weiterentwicklung der Lasertechnologie mit ultraschnellen Lasern zur Fertigung von biologische Systeme abbildenden Auftisch-Röntgenssystemen bei. Obgleich die Arbeit noch im Gang ist, erzeugten die Wissenschaftler Photonenenergien bis zu 200 eV mit mittlerem IR-Licht (von 2 Mikrometern Wellenlänge), wobei sie Neon und Argon einsetzten. Die Forscher entwickelten überdies wichtige Computermodelle, um die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung, einen an sich ineffizienten Prozess, zu simulieren. Sie entwickelten und erprobten überdies eine Vorrichtung zur Aufnahme hoher Drücke innerhalb einer Vakuumkammer, um die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung zu optimieren.

Die BAXHHG-Wissenschaftler konnten bedeutende Fortschritte hin zu einer neuartigen Auftisch-Röntgentechnik verzeichnen, die detaillierte strukturelle Informationen über biologische Proben liefern kann. Die Erzeugung hochenergetischer Photonen in extrem intensiven und fokussierten Strahlen innerhalb des Wasserfensters wird eine schnelle und kostengünstige Visualisierung feiner struktureller Details ermöglichen. Diese Technik könnte eine wichtige Rolle bei der kosteneffizienten Entwicklung von Arzneimitteln und weiteren gezielten Therapien übernehmen.

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