Niedawny rozwój laserów rentgenowskich na swobodnych elektronach zapewniających spójne, femtosekundowe impulsy o wysokiej jasności i zmiennej energii otwierają nowe obszary badań naukowych, takich jak badań naukowych w różnych dyscyplinach, takich jak fizyka, chemia, i biologia. Techniki eksperymentalne typu pump-probe, które obserwują czasową ewolucję czasową ewolucję systemów po wzbudzeniu impulsem optycznym lub rentgenowskim są jednym z głównych schematów eksperymentalnych stosowanych obecnie w badaniach ultraszybkich. Kluczowym wyzwaniem w tych eksperymentach jest niezawodne osiągnięcie czasowego i przestrzennego nakładania się impulsów rentgenowskich i optycznych. impulsów rentgenowskich i optycznych. Tutaj przedstawiamy pomiary impulsów rentgenowskich indukowanej impulsem rentgenowskim przejściowej zmiany współczynnika odbicia optycznego z różnych materiałów obejmujące zakres energii fotonów miękkiego promieniowania rentgenowskiego od 500eV do 2000eV i nakreślają zastosowanie tej techniki do ustalenia i scharakteryzowania czasowej synchronizacji czasowej synchronizacji impulsów rentgenowskich lasera optycznego i FEL. --- Rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach (XFEL) generują sekwencje ultrakrótkich przestrzennie spójne impulsy promieniowania rentgenowskiego. Spektrometr zogniskowany dyfrakcyjnie (DFS), który jest w stanie zmierzyć całe widmo energetyczne promieniowania pojedynczego impulsu XFEL z rozdzielczością energetyczną ΔE/E 2 × 10(-6). Jest to znacznie lepiej niż w przypadku większości nowoczesnych spektrometrów rentgenowskich. Taka rozdzielczość pozwala na rozwiązanie drobnej struktury widmowej impulsu XFEL. Efekt dyfrakcji występuje w płytce z pojedynczym kryształem z powodu dynamicznego dynamicznego rozpraszania i jest podobny do ogniskowania w soczewce Pendry'ego wykonanej z metamateriału o ujemnym współczynniku załamania. Taki spektrometr jest łatwiejszy w obsłudze niż niż te oparte na wygiętych kryształach. Pokazano, że DFS może być używany w szerokim zakresie energii od 5 keV do 20 keV. zakresie energii od 5 keV do 20 keV. --- Krótkie i intensywne impulsy nowych laserów rentgenowskich na swobodnych elektronach, obecnie operacyjne lub w budowie, mogą umożliwić eksperymenty dyfrakcyjne na obiektów wielkości pojedynczej cząsteczki z wysoką rozdzielczością, zanim promieniowanie zniszczy próbkę. W eksperymencie obrazowania pojedynczych cząsteczek (SMI) tysiące dyfrakcyjnych pojedynczych cząsteczek o losowej orientacji. Jednym z najtrudniejszych problemów SMI jest to, jak połączyć te zaszumione nieznanych orientacji w spójny pojedynczy zestaw danych dyfrakcyjnych. danych dyfrakcyjnych. Przedstawiamy tutaj nową metodę, która może rozwiązać problem orientacji SMI nawet dla dużych cząsteczek biologicznych i w obecności szumu. szumów. Pokazujemy na symulowanych wzorcach dyfrakcyjnych dużej cząsteczki białka, jak można znaleźć orientacje wzorów i rozwiązać strukturę z rozdzielczością atomową. rozdzielczość atomową. Koncepcja naszego algorytmu może być również zastosowana do eksperymentów, w których obrazy obiektu są rejestrowane w nieznanych orientacjach i / lub pozycjach, jak w krioEM lub tomografii. --- Pojawienie się femtosekundowego obrazowania dyfrakcyjnego za pomocą laserów rentgenowskich umożliwiło pionierskie badania strukturalne izolowanych cząstek, takich jak wirusy, w nanometrowych skalach długości. w nanometrowych skalach długości. Jednak kwestia brakujących danych o niskiej częstotliwości znacznie ogranicza potencjał laserów rentgenowskich do ujawniania sub-nanometrowych szczegółów próbek o wielkości mikrometrów. Opracowaliśmy nową technikę spójnego obrazowania dyfrakcyjnego w ciemnym polu, aby jednocześnie przezwyciężyć brak i umożliwić nam wykorzystanie unikalnych mechanizmów kontrastu dostępnych w mikroskopii ciemnego pola. mikroskopii ciemnego pola. Obrazy unoszących się w powietrzu cząstek stałych (sadzy) o długości do dwóch mikronów uzyskano przy użyciu pojedynczych wzorów dyfrakcyjnych uzyskanych w koherentnym źródle światła Linac, czterokrotnie większym niż obiekty wcześniej obrazowanych wcześniej w podobnych eksperymentach. Technika ta otwiera drzwi do femtosekundowego obrazowania dyfrakcyjnego szerokiej gamy materiałów o rozmiarach mikrometrów, które wykazują niereprodukowalną złożoność aż do nanoskali, w tym unoszących się w powietrzu cząstek stałych, małych komórek, bakterii i złota. w powietrzu, małych komórek, bakterii i próbek biologicznych znakowanych złotem. --- Zademonstrowaliśmy użycie lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach zsynchronizowanego z laserem optycznym laserem pompującym w celu uzyskania migawek dyfrakcji rentgenowskiej z fotoaktywowanych stanów stanów dużych kompleksów białek błonowych w postaci nanokryształów przepływających w strumieniu cieczy. Indukowane światłem zmiany ko-kryształów fotosystemu I-ferredoksyny zaobserwowano z opóźnieniem od 5 do 10 µs po wzbudzeniu. Wynik koreluje z mikrosekundową kinetyką transferu elektronów z fotosystemu I do ferredoksyny. Proces odłączania, który następuje po transferze elektronów, prowadzi do dużych rearanżacji w kryształach, które ostatecznie prowadzą do rozpadu kryształów. Opisujemy konfigurację eksperymentalną i uzyskujemy pierwsze wyniki femtosekundowej seryjnej krystalografii rentgenowskiej z rozdzielczością czasową z nieodwracalnej reakcji fotochemicznej w koherentnym źródle światła Linac. Ta otwiera drzwi do czasowo-rozdzielczych badań strukturalnych dynamiki reakcji w układach biologicznych. dynamiki reakcji w układach biologicznych. --- Białka błonowe stanowią > 30% białek w przeciętnej komórce, a mimo to liczba obecnie znanych struktur unikalnych białek błonowych wynosi < 300. Aby opracować nowe koncepcje określania struktury białek błonowych, zbadaliśmy zbadaliśmy metodę seryjnej nanokrystalografii, w której w pełni uwodnione nanokryształy białka są dostarczane do wiązki promieniowania rentgenowskiego w strumieniu cieczy w temperaturze pokojowej. temperaturze. Jako system modelowy zebraliśmy dane dyfrakcji proszkowej promieniowania rentgenowskiego z integralnego białka błonowego Photosystem I, które składa się z 36 podjednostek i 381 kofaktorów. Dane zostały zebrane z kryształów o wielkości od 100 nm do 2 μm. Wyniki pokazują, że istnieją kryształy białek błonowych, które zawierają < 100 komórek jednostkowych (200 cząsteczek) i że kryształy 3D białek błonowych, które zawierają < 200 cząsteczek które zawierają < 200 cząsteczek, mogą być odpowiednie do badań strukturalnych. strukturalnych. Nanokrystalografia seryjna przezwycięża problem uszkodzeń rentgenowskich, który jest obecnie jednym z głównych ograniczeń w określaniu struktury rentgenowskiej małych kryształów. struktury małych kryształów. Łącząc seryjną nanokrystalografię z rentgenowskimi źródłami lasera na swobodnych elektronach, w przyszłości może być możliwe uzyskanie map gęstości elektronowej o rozdzielczości molekularnej przy użyciu kryształów białek błonowych, które zawierających tylko kilkaset lub tysiąc komórek. --- Niedawny rozwój rentgenowskich źródeł laserowych na swobodnych elektronach stworzył nowe możliwości analizy strukturalnej nanokryształów białek. Niezwykle małe rozmiary kryształów, a także niedoskonałości struktury krystalicznej, powodują zjawisko interferencji we wzorze dyfrakcyjnym. Wraz ze zmniejszaniem się niedoskonałości strukturalne odgrywają rolę w tworzeniu wzoru dyfrakcyjnego. wzoru dyfrakcyjnego, który jest porównywalny pod względem znaczenia z efektami wielkości i powinny być brane pod uwagę podczas analizy danych i rekonstrukcji struktury. i rekonstrukcji struktury. Obecnie istnieje potrzeba opracowania nowych metod określania struktury białek, które nie zależą od dostępności dobrej jakości kryształów i które mogą traktować białka w warunkach zbliżonych do formy aktywnej. formie aktywnej. Niniejszy artykuł demonstruje podejście, które jest specjalnie dostosowane do próbek nanokrystalicznych i oferuje unikalne rozwiązanie krystalograficzne. --- Problem fazy jest nieodłącznym elementem obrazowania krystalograficznego, astronomicznego i optycznego. gdzie wykrywana jest tylko intensywność rozproszonego sygnału, a informacja o fazie jest tracona i musi być w jakiś sposób odzyskana w celu odtworzenia informacja o fazie jest tracona i musi być w jakiś sposób odzyskana, aby zrekonstruować strukturę obiektu. aby zrekonstruować strukturę obiektu. Nowoczesne techniki obrazowania w skali molekularnej opierają się na wykorzystaniu nowatorskich źródeł światła spójnego, takich jak lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach. wizualizacji takich obiektów jak pojedyncze biomolekuły, a nie kryształy. kryształy. Tutaj, w przeciwieństwie do kryształów, gdzie struktury mogą być rozwiązywane przez modelowanie i udoskonalanie fazowe, rozkład fazowy fali rozproszonej przez pojedynczą cząsteczkę musi zostać bezpośrednio odzyskany. Istnieją dwa dobrze znane rozwiązania problemu fazy: holografia i koherentne obrazowanie dyfrakcyjne (CDI). obrazowanie dyfrakcyjne (CDI). Obie techniki mają swoje wady i zalety. W holografii, rekonstrukcja w holografii, rekonstrukcja rozproszonej fali obiektu o złożonej wartości jest zapewniana bezpośrednio przez dobrze zdefiniowaną falę referencyjną, która musi pokrywać cały obszar detektora, co często stanowi wyzwanie eksperymentalne. często stanowi wyzwanie eksperymentalne. CDI zapewnia najwyższą możliwą rozdzielczość rozdzielczość ograniczoną do długości fali, ale odzyskiwanie fazy jest procesem iteracyjnym. który wymaga pewnych wstępnie zdefiniowanych informacji o obiekcie i którego wynik nie zawsze jest jednoznacznie zdefiniowany. Co więcej, wzory dyfrakcyjne muszą być dyfrakcyjne muszą być rejestrowane w warunkach nadpróbkowania, co jest warunkiem wstępnym rozwiązania problemu fazy. problem fazy. Tutaj opisujemy, w jaki sposób holografia i CDI mogą zostać połączone w jedną technikę: holograficzne koherentne obrazowanie dyfrakcyjne (HCDI). Hologram inline hologram może być rejestrowany poprzez zastosowanie zmodyfikowanego schematu eksperymentalnego CDI. My wykazać, że amplituda transformaty Fouriera hologramu inline jest związana z widocznością o złożonej wartości, dostarczając w ten sposób informacji zarówno o amplitudzie, jak i fazie, amplitudzie i fazie fali rozproszonej w płaszczyźnie wzoru dyfrakcyjnego. dyfrakcyjnej. Dzięki dostępnym informacjom o fazie, warunek nadpróbkowania wzorów dyfrakcyjnych może być złagodzony, a problem fazy może być rozwiązany w szybki i jednoznaczny sposób. może być rozwiązany w szybki i jednoznaczny sposób. Demonstrujemy rekonstrukcję różnych wzorów dyfrakcyjnych obiektów zarejestrowanych za pomocą światła widzialnego, jak również za pomocą niskoenergetycznych elektronów. Chociaż zademonstrowaliśmy naszą metodę HCDI przy użyciu laserowego i niskoenergetycznych elektronów, można ją również zastosować do każdego innego koherentnego promieniowania, takiego jak promieniowanie rentgenowskie lub wysokoenergetyczne elektrony. --- Obrazowanie dyfrakcyjne przy użyciu intensywnej i koherentnej wiązki rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach otwiera nowe perspektywy dla badań strukturalnych pojedynczych nanocząstek i biomolekuł. biomolekuł. Przeprowadzono symulacje w celu wygenerowania nadpróbkowanych wzorów dyfrakcyjnych 3D dyfrakcyjnych 3D dla niekrystalicznych próbek biologicznych, począwszy od peptydów i białek do megadaltonowych zespołów kompleksów, a także do odtworzenia ich struktury molekularnej z rozdzielczością od nanometrowej do niemal atomowej. Korzystając z tych symulowanych danych, pokazujemy tutaj, że iteracyjne metody rekonstrukcji oparte na standardowe i wariantowe formy algorytmu przerzucania ładunków, mogą skutecznie skutecznie rozwiązać problem odzyskiwania fazy i wyodrębnić unikalną i wiarygodną strukturę molekularną. strukturę molekularną. W przeciwieństwie do konwencjonalnych algorytmów, w których estymacja i wykorzystanie zwartego wsparcia jest narzucone, nasze podejście nie wymaga żadnych wcześniejszych informacji na temat zespołu molekularnego i jest odpowiednie dla szerokiego zakresu zespołów biologicznych. zespołów biologicznych. Co ważne, solidność tego podejścia ab initio jest zilustrowana faktem, że toleruje szum eksperymentalny i niekompletność danych intensywności w centrum wzoru plamki. --- W tej pracy, eksplozja Coulomba oktamerowego klastra wodnego została z wykorzystaniem podejścia teoretycznego. Zamiast zwykłej metodologii, która wykorzystuje klasyczną dynamikę molekularną, zastosowano zależną od czasu teorię funkcjonału gęstości. zależną od czasu. Metoda ta wyraźnie uwzględnia dla pola laserowego, a tym samym nie nakłada żadnych ograniczeń na interakcję między impulsem lasera a klastrem. Skupiamy się na efektach energetycznych w układzie pod wpływem impulsów miękkiego lasera rentgenowskiego o wysokiej intensywności. Ruchy jonów i ich prędkości podczas tego procesu wykazują znaczące różnice różnice dla trzech zastosowanych natężeń lasera (10(14), 10(15) i 10(16) W cm(-2)). Bardzo silne impulsy miękkiego lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach (FEL) muszą być krótkie aby umożliwić badania ultraszybkiej mokrej chemii, zgodnie z zasadą zgodnie z zasadą zbieraj i niszcz. --- Metoda dyfrakcji anomalnej na wielu długościach fali (MAD) jest stosowana do określania informacji o fazie w krystalografii rentgenowskiej poprzez zastosowanie anomalnego rozpraszania od ciężkich atomów. Rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach (FEL) są obiecujące w ujawnianiu struktury pojedynczych cząsteczek lub nanokryształów, ale problem fazy pozostaje pozostaje w dużej mierze nierozwiązany. Ze względu na ultra jasność promieniowania rentgenowskiego FEL, próbki doświadczają poważnych uszkodzeń elektronowych, zwłaszcza ciężkich atomów, co co utrudnia bezpośrednią implementację MAD za pomocą rentgenowskich FEL. Tutaj proponujemy uogólnioną wersję fazowania MAD przy wysokiej intensywności promieniowania rentgenowskiego. Demonstrujemy istnienie równania typu Karle'a-Hendricksona w reżimie wysokiej intensywności i obliczamy odpowiednie współczynniki ze szczegółową dynamiką uszkodzeń elektronowych ciężkich atomów. ciężkich atomów. Niniejsza metoda oferuje potencjał do ab initio strukturalnego w femtosekundowej nanokrystalografii rentgenowskiej. --- Johansson LC(1), Arnlund D, White TA, Katona G, Deponte DP, Weierstall U, Doak RB, Shoeman RL, Lomb L, Malmerberg E, Davidsson J, Nass K, Liang M, Andreasson J, Aquila A, Bajt S, Barthelmess M, Barty A, Bogan MJ, Bostedt C, Bozek JD, Caleman C, Coffee R, Coppola N, Ekeberg T, Epp SW, Erk B, Fleckenstein H, Foucar L, Graafsma H, Gumprecht L, Hajdu J, Hampton CY, Hartmann R, Hartmann A, Hauser G, Hirsemann H, Holl P, Hunter MS, Kassemeyer S, Kimmel N, Kirian RA, Maia FR, Marchesini S, Martin AV, Reich C, Rolles D, Rudek B, Rudenko A, Schlichting I, Schulz J, Seibert MM, Sierra RG, Soltau H, Starodub D, Stellato F, Stern S, Strüder L, Timneanu N, Ullrich J, Wahlgren WY, Wang X, Weidenspointner G, Wunderer C, Fromme P, Chapman HN, Spence JC, Neutze R. --- 1960 Theodore Maiman zbudował pierwszy Ruby-LASER, który zapoczątkował pół wieku prac badawczo-rozwojowych nad ciągłym doskonaleniem pół wieku prac badawczo-rozwojowych nad ciągłym doskonaleniem LASERÓW biomedycznych. Celem niniejszego jest dokonanie przeglądu często lekceważonych, jednak niezwykle ważnych dokumentów dotyczących własności przemysłowej urządzeń do diagnostyki in vitro opartych na technologii LASER in vitro. Jest to próba naszkicowania szlaku patentowego prowadzącego do nowoczesnego laboratorium biomedycznego. nowoczesnego laboratorium biomedycznego oraz wprowadzenie do stosowania "egzotycznych" systemów, takich jak "egzotycznych" systemów, takich jak Free Electron LASER (FEL), które powinny skupić się na podstawowych procesach życiowych, śledząc reakcje chemiczne i procesy reakcje chemiczne i procesy biologiczne na niespotykaną dotąd skalę czasu i wielkości. Istnieją różne zastosowania in vitro LASER, jednak najważniejsze z nich to obejmują: Hybrydowe analizatory hematologiczne Coulter Principle-LASER. Systemy cytometrii przepływowej systemy. Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (techniki FISH). Konfokalna LASER Mikroskopia skaningowa i cytometria. Od pierwszego urządzenia do cytometrii przepływowej fluorescencji opracowanego w 1968 r. przez Wolfganga Göhde do dnia dzisiejszego pojawiło się wiele ulepszeń i nowych funkcji związanych z tymi urządzeniami. pojawiły się liczne ulepszenia i nowe funkcje związane z tymi urządzeniami. Odpowiednie kamienie milowe własności przemysłowej i ich ogólne trendy liczbowe są przedstawiono. W 1971 r. J. Madey wynalazł i opracował LASER na swobodnych elektronach (Free Electron LASER (FEL), lampę próżniową, która wykorzystuje wiązkę relatywistycznych elektronów przechodzących przez okresowe, poprzeczne pole magnetyczne. okresowe, poprzeczne pole magnetyczne (wiggler) w celu wytworzenia spójnego promieniowania, zawarte we wnęce optycznej zdefiniowanej przez lustra. Warunek rezonansu, który obejmuje energię wiązki elektronów, siłę pola magnetycznego, i okresowość magnesu określa długość fali promieniowania. Koherentne źródła światła FEL, takie jak Linac Coherent Light Source (LCLS) w Stanford, Kalifornia, USA lub Linac Coherent Light Source (LCLS) w Stanford, Kalifornia, USA. Stanford, CA, USA lub Xray Free Electron LASER (XFEL) w Hamburgu, Niemcy, będą działać podobnie do szybkich (< 100 femtosekund) kamer, umożliwiając naukowcom naukowcom robienie zdjęć poklatkowych w nanoskali atomów i cząsteczek w ruchu. atomów i cząsteczek w ruchu. Krzywa patentów związanych z FEL w ciągu ostatnich 20 lat jest znacznie gładsza niż analogiczna dla konwencjonalnych LASERÓW w diagnostyce in vitro. LASERÓW. Jeśli diody przyniosły LASER do kieszeni prawie każdego, to wyżej wspomniane super-systemy obrazowania są ogromnymi urządzeniami o ogromnych kosztach. cena za spojrzenie na podstawowe procesy życiowe. --- Ultrakrótkie impulsy rentgenowskie z laserowych źródeł promieniowania rentgenowskiego na swobodnych elektronach umożliwiają przeprowadzenie eksperymentów rozpraszania pod małym i szerokim kątem na próbkach biomolekularnych w roztworze w sub-pikosekundowych skalach czasowych. Podczas tych tak zwanych eksperymentów fluktuacyjnych eksperymentów rozpraszania fluktuacyjnego, brak uśredniania rotacyjnego, zwykle indukowanego przez ruchy Browna w klasycznych eksperymentach rozpraszania w roztworze, zwiększa zawartość zawartość informacyjną danych. Aby przeprowadzić rekonstrukcję kształtu lub rekonstrukcji kształtu lub udoskonalenia struktury z takich danych, niezbędne jest obliczenie teoretycznych profili z trójwymiarowych modeli. profili z modeli trójwymiarowych. W oparciu o trójwymiarowe modele rozwinięcia wielomianu Zernike szybką metodę obliczania teoretycznych profili rozpraszania fluktuacji. wyprowadzono szybką metodę obliczania teoretycznych profili rozpraszania fluktuacji. Teoretyczne profile zostały zostały zweryfikowane względem wyników symulacji uzyskanych z 300 000 wzorów rozpraszania dla kilku reprezentatywnych gatunków biomolekularnych. --- Krystalografia rentgenowska dostarcza zdecydowanej większości struktur makromolekularnych, ale sukces tej metody zależy od wyhodowania kryształów o wystarczającej wielkości. W konwencjonalnych pomiarach, konieczny wzrost dawki promieniowania rentgenowskiego w celu zarejestrowania danych z kryształów, które są zbyt małe, prowadzi do rozległych uszkodzeń przed zarejestrowaniem sygnału dyfrakcyjnego. można zarejestrować sygnał dyfrakcyjny. Szczególnie trudne jest uzyskanie dużych, dobrze dyfrakcjonujących kryształów białek błonowych, dla których określono mniej niż 300 unikalnych struktur, pomimo ich znaczenia. struktur, pomimo ich znaczenia we wszystkich żywych komórkach. Tutaj przedstawiamy metodę określania struktury, w której dyfrakcja rentgenowska pojedynczych kryształów są zbierane z w pełni uwodnionego strumienia nanokryształów przy użyciu femtosekund. nanokryształów za pomocą femtosekundowych impulsów z lasera na swobodnych elektronach o twardym promieniowaniu rentgenowskim, Linac Coherent Light Source. Linac Coherent Light Source. Udowadniamy tę koncepcję za pomocą nanokryształów fotosystemu I, jednego z największych kompleksów białek błonowych. Ponad 3 000 000 wzorów dyfrakcyjnych zostało zebranych w tym badaniu, a trójwymiarowy zestaw danych został trójwymiarowy zestaw danych został złożony z pojedynczych nanokryształów fotosystemu I (o wielkości od 200 nm do 2 μm). Złagodziliśmy problem uszkodzeń w krystalografii poprzez użycie impulsów krótszych niż skala czasowa większości procesów uszkodzeń. procesów uszkodzeń. Oferuje to nowe podejście do określania struktury makrocząsteczek, które nie dają kryształów o wystarczających rozmiarach do badań przy użyciu konwencjonalnych źródeł promieniowania lub są szczególnie wrażliwe na uszkodzenia radiacyjne. --- Lasery rentgenowskie oferują nowe możliwości w zrozumieniu struktury systemów biologicznych systemów biologicznych, złożonych materiałów i materii w ekstremalnych warunkach. Bardzo krótkie i i niezwykle jasne, spójne impulsy rentgenowskie mogą być wykorzystane do prześcignięcia kluczowych i uzyskania pojedynczego wzoru dyfrakcyjnego z dużej makrocząsteczki, wirusa wirusa lub komórki, zanim próbka eksploduje i zamieni się w plazmę. Ciągły dyfrakcyjny obiektów niekrystalicznych pozwala na nadpróbkowanie i bezpośrednie odzyskiwanie fazy. pobieranie fazy. Tutaj pokazujemy, że wysokiej jakości dane dyfrakcyjne można uzyskać za pomocą pojedynczego impulsu rentgenowskiego z niekrystalicznej próbki biologicznej, pojedynczej cząsteczki mimiwirusa. cząsteczki mimiwirusa, która została wstrzyknięta do wiązki impulsowej twardego promieniowania rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach, koherentnego źródła światła Linac. Obliczenia wskazują, że energia zdeponowana w wirusie przez impuls podgrzała cząsteczkę do ponad 100 000 K po tym, jak impuls opuścił próbkę. Zrekonstruowane wyjściowe czoło fali (obraz) uzyskał rozdzielczość 32 nm w pełnym okresie w pojedynczej ekspozycji i nie wykazał żadnych mierzalnych uszkodzeń. Rekonstrukcja wskazuje na niejednorodny układ gęstego materiału wewnątrz wirionu. gęstego materiału wewnątrz wirionu. Spodziewamy się, że w takich eksperymentach rozdzielczości zostaną osiągnięte w takich eksperymentach z krótszymi i jaśniejszymi impulsami fotonów i jaśniejszych impulsów fotonowych skupionych na mniejszym obszarze. Rozdzielczość w takich eksperymentach może być dalej rozszerzana dla próbek dostępnych w wielu identycznych kopiach. --- Dokonano przeglądu możliwości i technik badawczych w zakresie zastosowania twardych rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach (XFEL) w biologii strukturalnej. Obejmują one obrazowanie nanokryształów białek, pojedynczych cząstek, takich jak wirusy, eksperymenty z pompą-sondą do nanokrystalografii czasowo-rozdzielczej i migawki szerokokątne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego (WAXS) z cząsteczek w roztworze. Zastosowanie femtosekundowych czasów ekspozycji, zamiast zamrażania próbek, jako sposobu na minimalizacji uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem otwiera nowe możliwości dla obrazowania molekularnego reakcji biochemicznych w temperaturze pokojowej w roztworze. Jest to jest możliwe przy użyciu trybu "dyfrakcji i zniszczenia", w którym padający impuls kończy się przed rozpoczęciem uszkodzenia radiacyjnego. Metody dostarczania setek uwodnionych biocząstek na sekundę (w losowych orientacjach) do impulsowej wiązki promieniowania rentgenowskiego są opisane. Przedstawiono nowe podejścia do analizy danych dla skorelowanych fluktuacji skorelowanych fluktuacji w szybkim WAXS, dla nanokryształów białek o wielkości zaledwie kilku cząsteczek na oraz dla ciągłego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pojedynczego wirusa. Metody określania orientacji cząsteczki na podstawie jej wzoru dyfrakcyjnego. przegląd. Omówiono również metody przygotowania nanokryształów białek. Przedstawiono nowe możliwości rozwiązania problemu fazy dla danych XFEL. A Podsumowanie najnowszych wyników, które obecnie obejmują rozdzielczość atomową dla nanokryształów. dla nanokryształów. Możliwości chemii z rozdzielczością czasową przy użyciu szybkiego WAXS (rozpraszanie roztworów) z mieszanin, w kierunku ogólnego celu, jakim jest tworzenia filmów molekularnych procesów biochemicznych. --- Opisano wielokrystaliczny dyspersyjny spektrometr twardego promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości energetycznej i dużym kącie bryłowym. o wysokiej rozdzielczości energetycznej i dużym kącie bryłowym. Urządzenie jest specjalnie zaprojektowany do czasowo-rozdzielczych zastosowań rentgenowskiej spektroskopii emisji rentgenowskiej (XES) i rentgenowskiego rozpraszania Ramana (XRS) w laserach XFEL i XFEL. Lasery (XFEL) i urządzenia promieniowania synchrotronowego. Upraszcza również rezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego (RIXS) całej płaszczyzny 2d RIXS. Spektrometr jest oparty na geometrii Von Hamosa. Ta dyspersyjna konfiguracja umożliwia na pomiar widma XES lub XRS w trybie pojedynczego strzału, przezwyciężając konieczność potrzeby skanowania spektrometrów koła Rowlanda. W połączeniu z profilem czasowym XFEL jest to potężne narzędzie do badania dynamiki układów zależnych od czasu. systemów zależnych od czasu. Procesy indukowane światłem i szybkie reakcje katalityczne katalitycznych, w zakresie od femtosekund do milisekund, będą rozwiązywalne w szerokiej gamie systemów omijających szerokiej gamie systemów omijających uszkodzenia spowodowane promieniowaniem. --- Koherentne obrazowanie dyfrakcyjne przy użyciu rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach (XFEL) może zapewnić unikalną możliwość analizy strukturalnej o wysokiej rozdzielczości pojedynczych rozpylonych z roztworu wodnego do wiązki laserowej. W rezultacie, obrazy dyfrakcyjne są mierzone z losowo zorientowanych obiektów pokrytych warstwą wody. warstwą wody. Analizujemy teoretycznie, w jaki sposób grubość pokrywającej warstwy wody wpływa na informacje strukturalne i orientacyjne zawarte w zarejestrowanych obrazach dyfrakcyjnych. w zarejestrowanych obrazach dyfrakcyjnych. Badanie to ma wpływ na planowane eksperymenty dotyczących obrazowania pojedynczych cząstek za pomocą XFEL. --- Lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach obiecują umożliwić obrazowanie dyfrakcyjne w rozdzielczości atomowej pojedynczych cząsteczek biologicznych. dyfrakcyjnego obrazowania pojedynczych cząsteczek biologicznych. Opracowaliśmy hybrydowy model do opisu uszkodzeń indukowanych promieniowaniem rentgenowskim i stwierdzamy, że dynamika fotoelektronów i ograniczenie elektrostatyczne dynamika fotoelektronów i ograniczenie elektrostatyczne silnie wpływają na czas skalę czasową procesów uszkodzeń. Zjawiska te nie są w pełni uchwycone w modelach modelowaniu hydrodynamicznym. --- W eksperymentach koherentnego obrazowania dyfrakcyjnego rentgenowskiego pojedynczych cząstek, przeprowadzanych na laserach rentgenowskich na swobodnych elektronach (XFEL), próbki są poddawane działaniu intensywnych impulsów rentgenowskich w celu uzyskania pojedynczych wzorów dyfrakcyjnych. Wysoka intensywność indukuje dynamikę elektronową w femtosekundowej skali czasowej w układzie, co może zmniejszyć kontrast uzyskanych wzorów dyfrakcyjnych i dodaje izotropowe tło. tło. Określamy ilościowo degradację wzoru dyfrakcyjnego z powodu ultraszybkich uszkodzeń elektronicznych, przeprowadzając symulacje na próbce biologicznej wystawionej na działanie impulsów rentgenowskich o różnych parametrach. Stwierdzamy, że kontrast jest znacznie zmniejszony, a tło jest znacznie silniejsze tylko wtedy, gdy prawie wszystkie elektrony są usuwane z atomów macierzystych. Dzieje się tak przy fluencjach co najmniej o rząd wielkości większych niż w obecnie dostępnych źródłach XFEL XFEL. --- Otwarcie ośrodków laserowych wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie na swobodnych elektronach, takich jak Linac Linac Coherent Light Source (LCLS) w SLAC National Accelerator Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Stanach Zjednoczonych, zapoczątkowało nową erę w określaniu struktury. Dzięki promieniowaniu rentgenowskiemu do 10 fs lub krótszych i do 10(13) poprzecznie spójnych fotonów na impuls w wąskim zakresie. fotonów na impuls w wąskim paśmie spektralnym, skupione napromieniowanie od 10(18) do 10(21) W cm(-2) lub wyższe mogą być wytwarzane przy energiach promieniowania rentgenowskiego w zakresie od 500 eV do 10 keV. Nowe techniki określania struktury układów, których nie mogą być krystalizowane i do badania czasowo-rozdzielczego zachowania nieodwracalnych reakcji w femtosekundowych skalach czasowych. --- Określiliśmy czas trwania impulsu rentgenowskiego światła lasera na swobodnych elektronach przy 10 keV przy użyciu wysoce rozdzielczych widm pojedynczych strzałów, w połączeniu z rentgenowską symulacją lasera swobodnych elektronów symulacją lasera rentgenowskiego. Profile widmowe, które zostały zmierzone za pomocą spektrometru złożonego z ultraprecyzyjnie wymodelowanego zwierciadła eliptycznego i analizatora płaskiego kryształu krzemu (555), zmieniały się znacząco, gdy zmienialiśmy siłę kompresji wiązki elektronów. kompresji wiązki elektronów. Analiza wykazała, że czasy trwania impulsów zostały skrócone z 31 do 4,5 fs dla najsilniejszej kompresji. Metoda Metoda, którą można łatwo zastosować do oceny krótszych czasów trwania impulsu, stanowi solidną podstawę dla rozwoju femtosekundowych i attosekundowych nauk w obszarze rentgenowskim. --- Rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach (XFEL) dostarczają krótkie (<100 fs) i intensywne (∼10(12) fotonów) impulsy twardego promieniowania rentgenowskiego, co czyni je doskonałymi źródłami do czasowo-rozdzielczych badań. Tutaj pokazujemy, że pomimo nieodłącznych niestabilności obecnych (opartych na SASE XFEL, mogą one być wykorzystywane do pomiaru wysokiej jakości danych absorpcji promieniowania rentgenowskiego i przedstawiamy femtosekundowe pomiary spektroskopii absorpcji rentgenowskiej bliskich krawędzi (XANES) (XANES) układu spin-crossover, żelazo(II) tris(2,2'-bipirydyna) w wodzie. Dane wskazują, że przejście z niskiego spinu do wysokiego spinu może być modelowane przez kinetykę pojedynczego wykładnika z ogólną rozdzielczością czasową. rozdzielczością. Uzyskana stała czasowa wynosi ∼160 fs. --- Rosnąca liczba źródeł promieniowania rentgenowskiego opartych na zasadzie lasera na swobodnych elektronach (XFEL) jest obecnie w budowie lub niedawno rozpoczęła działanie. Intensywne, ultrakrótkie impulsy tych źródeł umożliwią nowe spojrzenie na wiele dziedzin nauki. różnych dziedzinach nauki. Kluczowym problemem jest zapewnienie rentgenowskich elementów optycznych zdolnych do zbierania jak największej części promieniowania i do skupić się na najmniejszym możliwym ognisku. Jako kluczowy krok w kierunku osiągnięcia tego celu zademonstrowaliśmy pierwsze nanoogniskowanie twardych impulsów XFEL. Opracowaliśmy płytki strefowe Fresnela na bazie diamentu, zdolne do wytrzymania pełnej wiązki najpotężniejszego na świecie lasera rentgenowskiego. Korzystając z techniki nadruku, zmierzyliśmy rozmiar ogniska, który był ograniczony do 320 nm FWHM przez szerokość pasma widmowego źródła. źródła. Uzyskano szczytową gęstość mocy w ognisku wynoszącą 4×10(17)W/cm(2) przy długości impulsu 70 fs. przy długości impulsu 70 fs.
Gdzie stosowany jest laser rentgenowski na swobodnych elektronach?
Technologie laserów rentgenowskich na swobodnych elektronach (XFEL) zapewniają spójne i niezwykle intensywne impulsy fotonowe o krótkim czasie trwania. Lasery XFEL są szczególnie przydatne w biologii strukturalnej i obrazowaniu, w badaniach strukturalnych pojedynczych makrocząsteczek biologicznych (np. określanie struktury białek w wysokiej rozdzielczości) i zespołów (np. wirusów) lub nanokryształów, których nie można badać tradycyjnymi metodami krystalograficznymi. Co więcej, XFEL mogą być wykorzystywane do badania kinetyki enzymów.