“鬼成像”。在這種研究方法中，科學(xué)家們將一束x射線(由粗的粉紅色線表示)分成兩束糾纏的光子束(細(xì)的粉紅色線)。其中只有一束能通過樣品(用清晰的圓圈表示)，但兩束都能收集信息。通過分離光束，研究樣品只用受到小劑量x射線的輻射。

美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室(BNL)的科學(xué)家們在國家同步加速器光源II (NSLS-II)上設(shè)計了一個量子增強型X射線顯微鏡。這個顯微鏡由美國能源部科學(xué)辦公室的生物和環(huán)境研究項目支持，它將讓研究人員用一種全新的方法對生物分子進行成像。

NSLS-II是DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，研究人員可以使用強大的X射線“查看”原子級材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)及電子組成。該設(shè)施的超亮光已經(jīng)促成了生物學(xué)領(lǐng)域的一些發(fā)現(xiàn)，例如幫助研究人員發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為多種疾病的藥物研究提供了信息。

現(xiàn)在，利用X射線的量子特性，NSLS-II的研究人員將能夠在不犧牲分辨率的情況下對更敏感的生物分子進行成像。雖然X射線的高穿透能力可以為成像研究提供超高的分辨率，但這種強光也會損壞像細(xì)胞、病毒和細(xì)菌這樣的生物樣本。降低輻射劑量是解決這一問題的一種方法，但不幸的是，這也降低了圖像的分辨率。

“如果我們能夠成功構(gòu)建量子增強型X射線顯微鏡，我們將能夠用高分辨率和低輻射劑量的X射線對生物分子進行成像?！?NSLS-II的結(jié)構(gòu)生物學(xué)項目經(jīng)理Sean McSweeney說。

NSLS-II的量子增強型X射線顯微鏡將通過一種叫“鬼成像”的實驗技術(shù)實現(xiàn)這兩種非凡的功能結(jié)合。典型的X射線成像技術(shù)只發(fā)射一束光穿過樣品并進入探測器，與之相比，鬼影成像則需要將X射線分成兩束糾纏的光束，其中只有一束穿過樣本，但是兩者都收集信息。

NSLS-II的硬x射線相干散射(CHX)光束線站

科學(xué)家們將會在的NSLS-II的硬X射線相干散射（CHX）光束線站上開發(fā)這個顯微鏡，該線站的首席科學(xué)家Andrei Fluerasu說：“其中一束穿過樣品并被一個具有較高時間分辨率的探測器收集，而另一束則編碼光子傳播的確切方向。這聽起來像魔術(shù)，但是通過數(shù)學(xué)計算，我們可以將這兩束光的信息聯(lián)系起來?！?/span>

通過分離光束，所研究的樣品只需要使用低劑量的X射線。由于未通過樣品的光子與通過樣品的光子具有相干性，因此可以保持全劑量X射線束的分辨率。

BNL的量子增強型X射線顯微鏡是在NSLS-II的CHX光束線站上研發(fā)的，之所以選擇它是因為它能夠操縱X射線源的相干性，這使科學(xué)家能夠根據(jù)需要調(diào)整鬼成像實驗。CHX的現(xiàn)有設(shè)置也足夠靈活，可以適應(yīng)新的和先進的設(shè)備，例如分束器和新的探測器。

BNL的物理學(xué)家Andrei Nomerotski說：“這些測量要求成像探測器具有最佳的時間分辨率，而這正是我們已經(jīng)用于高能物理實驗，量子信息科學(xué)項目（例如量子天體測量）和光學(xué)快速成像的東西?！?/span>

量子增強型X射線顯微鏡項目團隊還將與BNL的CSI合作進行數(shù)據(jù)分析。實驗室的生物學(xué)部門正與NSLS-II合作利用該顯微鏡的先進功能設(shè)計實驗。

實驗室生物學(xué)部門主任John Shanklin說：“在物理學(xué)部門，生物學(xué)部門和CSI的共同參與下，我們?yōu)檫@個項目組建了一支優(yōu)秀的團隊?！?/span>該團隊計劃在未來兩到三年內(nèi)逐步將新功能集成到CHX線站中。如果一切按計劃進行，它應(yīng)該在2023年開始運行。