Forschung & Entwicklung

Schnelle 3-D Bilder von Nanostrukturen

Proteinstrukturen von Viren können mithilfe eines neuen Verfahrens deutlich schneller analysiert werden als bisher.

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 Forschungsteam 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. 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.

Die Forscher 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 und spielt bei medizinischen Diagnosen eine entscheidende Rolle.

Die Arbeit wurde von Laserlab Europe gefördert, einem Konsortium europäischer Labore zur Stärkung der interdisziplinären Laserforschung.

von mn

Originalveröffentlichung:

[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, Computed stereo lensless X-ray imaging, Nat. Photonics 13 (2019), DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0419-1]

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