ساخت نخستین تصویر هولوگرافیک از ویروس‌ها با کمک لیزر

هولوگرافی مانند تصویربرداری، راهی برای ثبت اطلاعات دنیای پیرامون ما است. هر دو روش از نور برای ثبت داده‌ها بهره می‌برند؛ اما هولوگرام‌ها به‌جای تولید تصاویر دوبعدی، اشکال سه‌عدی ایجاد می‌کنند. اشکال به‌دست‌آمده با استفاده از الگوهای ایجادشده، پس از کمانه کردن نور از شیء و برخورد آن با موج نوری مرجع، مورد استنتاج قرار می‌گیرند.

روش تهیه هولوگرام با استفاده از پرتو ایکس، شیوه‌ای بسیار مفید برای تهیه تصاویر با رزولوشن بالا از اجسام در ابعاد نانومتر است. اجسام با ابعاد نانومتر، اندازه‌ای به‌کوچکی یک میلیاردم متر دارند!

تاکنون تصویربرداری هولوگرافیک با پرتو ایکس به اجسامی که از کریستال شکل گرفته یا اجسامی که به‌دقت روی سطح قرار داده شده بودند، محدود بوده است. اما ذرات بسیاری با ابعاد نانو وجود دارند که کریستالی نیستند، عمری کوتاه دارند و بسیار شکننده‌اند. این ذرات ممکن است از صدمه و تغییرات در زمان آزمایش نیز آسیب ببینند. هواپخش‌ها (Aerosol) که حالت عجیبی از ماده و کوچک‌ترین فرم حیات هستند، اغلب جزو همین دسته از ذرات آسیب‌پذیر قرار می‌گیرند و به‌ همین دلیل مطالعه آن‌ها با روش‌های مرسوم تصویربرداری دشوار است.

پژوهشگران اخیرا در مطالعه‌ای که در ماه مارس سال ۲۰۱۸ در Nature Photonics چاپ شده است، موفق به توسعه روش هولوگرافیک نوینی به نام هولوگرافی در پرواز شده‌اند. آن‌ها با این روش نوین توانستند نخستین هولوگرام‌های تهیه‌شده با پرتو ایکس از ویروس‌هایی با ابعاد نانومتر را که به هیچ سطحی متصل نبودند، نشان دهند.

الگوهای مورد نیاز برای ساخت چنین تصاویری توسط لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس LCLS  واقع در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC واقع در دپارتمان انرژی تهیه شدند. نانوویروس‌ها بدون منبع هولوگرافیک توسط لیزر LCLS مطالعه شدند؛ اما تفسیر تصاویر تهیه‌شده با پرتو ایکس با تکیه بر نیروی انسانی، مراحل متعددی را پشت سر گذاشت و از نظر محاسباتی برای پژوهشگران یک چالش بود.

نویسندگان در این مطالعه، پرتو ایکس پراکنده‌شده از ویروس را به پرتو ایکس پراکنده‌شده از یک منبع کروی با ابعاد نانو اضافه کردند. خمیدگی ایجادشده در تصاویر حاصل از افزودن پرتوهای پراکنده از دو شیء، اطلاعات و جزئیات عمیقی از شکل ویروس ۴۵۰ نانومتری مورد مطالعه یعنی می‌می‌ویروس به‌ دست داد. این تکنیک، تفسیر داده‌ها را به شکل چشمگیری ساده کرده است.

به‌جای استفاده از هزاران مرحله و الگوریتم که ممکن است مطابقت نکنند، با یک روند دو مرحله‌ای مواجه‌اید که با استفاده از آن، ساختار را به‌روشنی از تصویر استخراج و استنتاج می‌کنید.

اکنون دانشمندان می‌توانند با بهره بردن از روش هولوگرافیک، در کسری از ثانیه یا حتی سریع‌تر، نمونه خود را بازسازی کنند. کریستوفر بوسدت، دانشمند آزمایشگاه ملی آرگون و نویسنده همکار این پژوهش، می‌گوید:

پیش از مطالعه ما، تفسیر تصاویر پرتو ایکس کاری پیچیده بود و ساختار نمونه‌های دارای ابعاد نانو با استفاده از الگوریتم‌های مهم در زمانی طولانی تر بازسازی می‌شدند... با تکنیک هولوگرافی در پرواز، روند کار بسیار آسان‌تر است و در اصل می‌توان در حین برداشت داده‌ها، آن را اجرا کرد که یک پیشرفت حقیقی است.

آناتولی اولمر، نویسنده‌ی همکار و دانشجوی دکتری تخصصی از دانشگاه فنی برلین، می‌گوید:

برتری دیگر این تکنیک نسبت به تصویربرداری غیر هولوگرافیک با پرتو ایکس، تمایل کمترش به آشکارسازی نویز و خطای تصویربرداری در آشکارساز است.

پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند در درازمدت، تکنیک هولوگرافی در پرواز، راه‌های نوینی برای مطالعه آلودگی هوا، احتراق و فرآیندهای کاتالیتیک که همگی دارای نانوذرات هستند، ارائه دهد.