Laser-plazmový urychlovač by mohl dodat rentgen pro zobrazování buněk

Podle výsledků počítačových simulací by laser-plazmový urychlovač mohl v budoucnu sloužit jako zdroj jasného rentgenového záření pro biologické zobrazování. Takový přístroj by byl výrazně menší než dnešní zařízení, která podobné záření dokážou vytvářet, a mohl by tak zpřístupnit metodu, jež je zatím vyhrazena několika velkým výzkumným pracovištím.

Jádrem zájmu je rentgenové záření o vlnových délkách přibližně 2,3 až 4,4 nanometru. Tento interval se v odborné literatuře označuje jako vodní okno. Důvod je fyzikální: v tomto rozsahu vlnových délek záření silně pohlcují atomy uhlíku, které tvoří základ organických molekul, zatímco voda je pro ně relativně průhledná. Biologické vzorky proto lze zobrazovat v jejich přirozeném vodním prostředí, aniž by bylo nutné je složitě upravovat, sušit nebo zmrazovat. Obraz přitom vzniká díky přirozenému kontrastu mezi organickým materiálem a okolní vodou.

Problémem je, že získat záření v tomto spektrálním pásmu v odpovídající kvalitě a intenzitě bylo dosud technicky obtížné. Pro biologické zobrazování nestačí jakýkoli zdroj. Záření musí být dostatečně jasné, aby bylo možné snímek pořídit v krátkém čase, a zároveň musí mít vhodné vlastnosti z hlediska koherence a stability. Běžné laboratorní zdroje těmto nárokům v oblasti vodního okna obvykle nevyhovují.

Podle článku je takové záření v současnosti schopný generovat pouze volný elektronový laser. Jde o zařízení, které vyžaduje rozsáhlé urychlovačové systémy, jež se mohou táhnout na vzdálenosti stovek metrů či více. Jejich výstavba i provoz jsou nákladné a přístup k nim je omezený. Vědci z různých oborů se o čas na takových zařízeních ucházejí v konkurenčních výběrových řízeních a samotná měření pak často musejí být pečlivě naplánována s velkým předstihem.

Alternativou, kterou simulace zkoumají, je laser-plazmový urychlovač. Princip této technologie spočívá v tom, že intenzivní laserový impuls prochází plazmatem a vytváří v něm silné elektrické pole, které dokáže urychlit elektrony na vysoké energie na mimořádně krátké vzdálenosti. Zatímco klasické urychlovače potřebují k dosažení srovnatelných energií dlouhé trasy, plazmové urychlování toho dosahuje na vzdálenosti řádu centimetrů. Urychlené elektrony lze následně využít k vytvoření rentgenového záření.

Simulace naznačují, že by tímto způsobem bylo možné dosáhnout jasného rentgenového záření v oblasti vodního okna. Je třeba zdůraznit, že jde zatím o výsledky počítačového modelování, nikoli o hotové zařízení, které by bylo ověřeno v praxi. Ověření v experimentu a překonání případných technických překážek, které se při převodu z modelu na skutečný přístroj obvykle objevují, je nutným dalším krokem.

Pokud by se však výsledky simulací podařilo potvrdit, otevřelo by to cestu k mnohem dostupnějším zdrojům záření pro biologický výzkum. Menší a levnější zařízení by mohla být instalována přímo na univerzitách či ve výzkumných ústavech, což by vědcům umožnilo pracovat s technologií častěji a flexibilněji, než dovolují současné sdílené velké infrastruktury. Zobrazování buněk a dalších struktur v jejich přirozeném prostředí by se tak mohlo stát běžnější součástí laboratorní praxe.

Klíčovým přínosem navrhovaného přístupu je především možnost nahradit rozsáhlé urychlovačové komplexy kompaktním zařízením, které by poskytovalo záření vhodné pro studium živé hmoty. Zda a kdy se tato představa podaří uskutečnit, ukážou teprve další výzkumy a experimentální testy. Dosavadní simulace však naznačují, že laser-plazmové urychlování představuje slibný směr pro oblast, v níž dosud chyběla praktická a dostupná řešení.