美国布鲁克黑文国家实验室的科学家现在开始在国家同步加速器光源II(NSLS-II)上构建量子增强X射线显微镜。这种突破性的显微镜将使研究人员能够对生物分子进行前所未有的成像。
研究人员在加速器光源II中使用强大的X射线来“观察”直至原子级的材料的结构、化学组成和电子特性。该设施的超亮灯已经实现了生物学发现，可以帮助研究人员发现蛋白质的结构，从而为多种疾病的药物设计提供信息，这仅是一个具体应用例子。
通过利用X射线的量子特性，NSLS-II的研究人员将能够在不牺牲分辨率的情况下对更敏感的生物分子成像。 X射线具有很高的穿透力，可以为成像研究提供卓越的分辨率，这种强大的光会损坏某些生物样本，例如植物细胞、病毒和细菌。而低剂量X射线可以保留这些样品，但成像分辨率降低。
NSLS-II结构生物学项目经理Sean McSweeney说：“如果我们能够成功构建量子增强型X射线显微镜，我们将能够以非常高分辨率和非常低剂量的X射线对生物分子进行成像。”。
NSLS-II的量子增强型X射线显微镜将通过一种称为“幻影成像”或“鬼影成像”(ghost imaging)的实验技术，来实现这种非凡的功能组合。典型的X射线成像技术将单束光粒子通过样品并到达检测器，而“幻影成像”技术则需要将X射线束分成两个纠缠的光子流，其中只有一个通过样本，但是两者都收集信息。
如图所示“幻影成像”研究技术中，科学家将X射线束(由粉红色的粗线表示)分成两个纠缠的光子流(粉红色的细线)。这些光子流中只有一个流过科学样本(由实心圆表示)，但是两者都收集信息。通过分离光束，所研究的样品仅暴露于X射线剂量的一小部分。
“幻影成像”(ghost imaging)技术
NSLS-II的首席束线科学家Andrei Fluerasu说：“一个流穿过样品，并被一个检测器收集，该检测器以良好的时间分辨率记录光子，而另一束光子则编码光子传播的确切方向。”相干硬X射线散射(Coherent Hard X-ray Scattering，缩写CHX)光束线，将在此处开发显微镜。 “这听起来像魔术。但是通过数学计算，我们将能够关联来自两个光束的信息。”
通过分离光束，被研究的样品仅暴露于X射线剂量的一小部分。并且由于没有通过样品的光子与通过样品的光子相关，因此可以保持全剂量X射线束的分辨率。幻影成像技术已经使用可见光光子成功开发，但是将其转化为X射线光将是一项重大的科学成就。
Brookhaven实验室的量子增强X射线显微镜是在NSLS-II的CHX光束线开发的，其选择是因为它具有操纵X射线源相干的能力，从而使科学家能够根据需要调整重影成像实验。相干硬X射线散射的现有设置也足够灵活，可以容纳添加新的和先进的设备，例如分束器和新的检测器。 NSLS-II将与布鲁克海文实验室和石溪大学的物理学家合作，将这些复杂的仪器整合在一起。
Brookhaven物理学家Andrei Nomerotski说：“这些测量将要求成像探测器具有最佳的定时分辨率，而这正是我们已经用于高能物理实验、量子信息科学项目(例如量子天体测量)、和快速光学成像的东西。”
该团队计划在未来两到三年内逐步将新功能集成到相干硬X射线散射束线中。该项目将在演示分辨率为10纳米以下的微米级物体的幻影成像后完成，目标是2023年。
