Chụp ảnh ở cấp độ nano bằng laser tia X có bước sóng ngắn và cường độ mạnh.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Lawrence Livermore (LLNL) đã chứng minh được việc người ta có thể sử dụng các xung tia X cực mạnh và cực ngắn để “bắt giữ” các hình ảnh của vật thể như là protein trước khi tia X phá hủy mẫu vật thể đó.

Cùng lúc đó, nhóm nghiên cứu cũng đã thiết lập được một kỷ lục chụp ảnh flash với tốc độ 25 phần nghìn triệu triệu giây (femtosecond).

Phương pháp mới này sẽ thích hợp với việc chụp ảnh ở cấp độ nguyên tử (atomic-resolution) các sinh phân tử (biomolecules) ngay cả khi kỹ thuật laser tia X mạnh hơn hiện đang được chế tạo nếu thành công cũng không thực hiện được việc này. Kỹ thuật này sẽ cho phép các nhà khoa học có được sự hiểu biết sâu sắc về các lĩnh vực về khoa học vật liệu, vật lý plasma, sinh học và y học.

Chụp ảnh nhiễu xạ đơn phân tử bằng kỹ thuật laser tia X với electron tự do (Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore).

Bằng cách sử dụng kỹ thuật laser electron tự do tại Viện DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ở Hamburg (Đức), các nhà khoa học Livermore trong nhóm hợp tác quốc tế, được dẫn đầu bởi nhà khoa học Henry Chapman đến từ LLNL và nhà khoa học Janos Hajdu của trường đại học Uppsala, đã có thể thu được ảnh nhiễu xạ đơn của vật thể có cấu trúc ở tỉ lệ nano trước khi laser phá hủy mẫu vật thể đó.

Sau đó, một thuật toán máy tính do các nhà khoa học Livermore phát triển được sử dụng để tái tạo lại hình ảnh của vật thể đó, hình ảnh này được dựa trên ảnh nhiễu xạ đơn được lưu giữ trước đó. Kỹ thuật chụp ảnh “không có thấu kính” này có thể áp dụng cho việc chụp ảnh ở trạng thái nguyên tử bởi vì nó không bị hạn chế bởi nhu cầu xây dựng thấu kính có độ phân giải cao. Các ảnh flash có thể phân giải các điểm ảnh có kích thước 50 nanomet, nhỏ hơn khoảng 10 lần so với ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học.

Theo như lý thuyết thì ảnh nhiễu xạ đơn có thể lưu giữ được từ đại phân tử, một virus hoặc một tế bào với các xung tia X cực sáng và cực ngắn trước khi mẫu vật được chụp nổ tung và biến thành thể plasma. Điều này có nghĩa là các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn cấu trúc các protein của đại phân tử mà không cần kết tinh chúng và vì vậy cho phép nghiên cứu tất cả các loại protein một cách nhanh chóng.

Các mô phỏng máy tính dựa trên bốn mô hình khác nhau cho thấy rằng, có thể chụp được cấu trúc ở cấp độ gần nguyên tử nhờ vào sự lựa chọn được cân nhắc kỹ độ dài và độ mạnh các xung bước sóng tia X trước khi mẫu vật được “bị tước” mất các electron và bị phá hủy. Tuy nhiên, cho đến thời điểm này, vẫn chưa có sự xác minh bằng thí nghiệm nào cho kỹ thuật này.

Việc chứng minh bằng thí nghiệm “chụp ảnh nhiễu xạ flash” sử dụng kỹ thuật tia X mềm có các laser electron tự do (FEL) đầu tiên trên thế giới bằng hệ thống FLASH tại viện DESY. Hệ thống FLASH phát ra các xung tia X mềm năng lượng lớn bằng nguyên tắc tự khuếch đại các bức xạ tự phát. Các xung này sáng gấp 10 lần các nguồn tia X sáng nhất ngày nay, các synchrotron (một máy gia tốc phân tử sử dụng electron di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng để phát ra ánh sáng synchrotron rất mạnh). Thêm vào đó, thử nghiệm này cũng chứng minh được rằng chỉ mất 25 phần triệu triệu giây để khoảng thời gian xảy ra một xung thu giữ hình ảnh. FLASH hiện tại là hệ thống laser electron tự do duy nhất trên thế giới tạo ra phóng xạ ở dạng chùm tia X mềm. Vì vậy, nó là bước mở đầu cho các hệ thống FEL trong tương lai có khả năng phát ra các chùm laser có bước sóng thậm chí ngắn hơn.

Đã có một vấn đề đặt ra là liệu mẫu phóng xạ thu được trong những điều kiện như thế này có thể được tái tạo lại để thu được các thông tin về mẫu vật ở trạng thái không bị phá hủy.

“Các kết quả này có thể trở thành một phương pháp tiêu chuẩn hóa,” Ông Chapman nói. “Kỹ thuật chụp ảnh này có thể được áp dụng ở cấp độ tế bào, dưới cấp độ tế bào và xuống đến mức đơn phân tử.”

T.V

Theo Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Sở KH & CN Đồng Nai

Từ khóa liên quan: