Die zeitaufgelöste Beobachtung dynamischer Strukturveränderungen in Nanopartikeln und Biomolekülen auf ihrer natürlichen Zeitskala erfordert zwei Momentaufnahmen desselben Nano-Objekts im Abstand weniger Femtosekunden. Da kein Detektorsystem zwei separate Beugungsbilder in diesem Zeitintervall sequentiell aufzeichnen kann, stellt die physikalische Trennung der überlagerten Signalmuster die zentrale messtechnische Herausforderung dar. Forschende haben am European XFEL erfolgreich zwei komplementäre Methoden implementiert, um vom selben Röntgendetektor erfasste Beugungsmuster präzise zu entkoppeln.
Multi-Energie-Pulse am European XFEL
Die experimentelle Grundlage bildet eine neue Betriebsart des European XFEL: Über zwei getrennte Undulatorabschnitte werden zwei aufeinanderfolgende, hochintensive Röntgenpulse mit unterschiedlichen Photonenenergien (ca. 1,0 keV und 1,2 keV) erzeugt. Der zeitliche Versatz des zweiten Pulses lässt sich flexibel von einigen zehn bis hunderten Femtosekunden einstellen. Beide Pulse werden auf die Probe fokussiert – im Nachweisexperiment frei schwebende Helium-Nanotröpfchen –, während ein pnCCD-Detektor das gestreute Röntgenlicht erfasst. Die zweifache Abbildung desselben Objekts erlaubt die direkte Verfolgung transienter Prozesse wie der Ausdehnung von Nanoplasmen, dem Zerfall von Clustern oder lichtinduzierten strukturellen Umordnungen. „Meines Wissens sind dies die schnellsten jemals aufgenommenen Filme im Nanobereich, wenn wir unter Film mehrere Einzelbilder desselben Objekts verstehen“, sagt Alessandro Colombo.
Grenzen der Ensemble-Messungen und Vorteil des Einzelpartikel-Ansatzes
Klassische Pump-Probe-Experimente an Einzelmolekülen mitteln über Ensembles verschiedener Proben zu unterschiedlichen Verzögerungszeiten. Bei polydispersen Nanopartikeln, die Variationen in Größe, Morphologie, Ausrichtung oder innerer Struktur aufweisen, führt diese Mittlung zu Artefakten. „Dies eröffnet die Möglichkeit, schnelle Veränderungen in Nanopartikeln zu beobachten – vergleichbar mit Untersuchungen, die bei kleinen Molekülen bereits seit einiger Zeit möglich sind“, sagt Yevheniy Ovcharenko. „Diese Nanopartikel sind weniger einheitlich als einzelne Moleküle, weshalb es notwendig ist, Prozesse anhand ein und derselben Probe zu beobachten.“
„Wir stehen am Anfang einer neuen Art von Forschung“, fügt Marcel Mudrich hinzu. „Wir verfügen nun über Freie-Elektronen-Laser, die Paare von Röntgenpulsen mit unterschiedlichen ‚Farben‘ erzeugen können, wir haben Detektoren, die Bilder anhand der Farbe des gestreuten Röntgenlichts unterscheiden, und wir haben die Analysewerkzeuge, um die Form einzelner Teilchen aus den aufgezeichneten Röntgen-Momentaufnahmen zu rekonstruieren können.“
Spektrale Differenzierung auf Pixelebene
Die erste Methodik nutzt die energetische Auflösung des pnCCD-Detektors, der die durch einfallende Photonen erzeugte Ladung pro Pixel quantifiziert. Über die Akkumulation der Ladung in einzelnen Pixeln und Pixelgruppen lässt sich das Signal spektral den beiden Röntgenpulsen zuordnen.
„Das ist komplizierter, als es klingt“, sagt Michael Meyer, „denn wir haben sehr viele Photonen. Ein Pixel könnte ein Photon aus dem ersten Puls und mehrere Photonen aus dem zweiten Puls gesammelt haben. Zudem kann ein Photon auch mehrere Pixel beleuchten.“
Linos Hecht unterstreicht, dass „die Methode sehr flexibel ist, da sie nicht auf speziellen Eigenschaften der Probe beruht. Die Methode funktioniert besonders gut in den weniger stark beleuchteten Bereichen des Detektors bei großen Streuwinkeln, wo die feinsten Strukturinformationen zu finden sind.”
Mathematische Rekonstruktion mittels Dichographie
Als zweiter, mathematischer Ansatz wurde die sogenannte Dichographie entwickelt. Statt einer physikalischen Trennung auf Pixelebene verarbeitet diese Methode das gemischte Beugungsmuster über iterative Phasenwiederherstellungsalgorithmen. Der Algorithmus isoliert zwei diskrete Objektstrukturen, deren berechnete Beugungsintensitäten in Summe das gemessene Signal ergeben.
Aus überlappenden Beugungsmustern von Helium-Nanotröpfchen mit eingebetteten Xenon-Nanoclustern konnten zeitversetzte Einzelbilder bei 50 fs und 750 fs rekonstruiert werden. Die Rekonstruktionen belegen, dass die Xenon-Cluster im beobachteten Zeitfenster weitgehend intakt blieben und die photochemische Fragmentation noch kaum eingesetzt hatte. Voraussetzung für die Dichographie sind ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis sowie eine ausgewogene Intensitätsverteilung beider Spektralkomponenten.
„Ich bin mir sicher, dass die weitere Entwicklung an Einrichtungen wie European XFEL dazu führen wird, dass die Beschränkungen immer weniger ins Gewicht fallen und unsere Methode immer breitere Anwendungsmöglichkeiten findet“, sagt Colombo. „Wir begeben uns auf ein neues wissenschaftliches Abenteuer und lassen den Traum, ultraschnelle Strukturveränderungen in einzelnen Nanopartikeln zu filmen, endlich wahr werden.“