Simulations of radiation damage in biomolecular nanocrystals induced by femtosecond X-ray pulses

Journal of Modern Optics

Volumn 58, Issue 16, 2011, Pages 1486-1497

  Caleman, Carl ^a   Bergh, Magnus ^b   Scott, Howard A ^c   Spence, John C H ^d   Chapman, Henry N ^a,e   Timneanu, Nicuşor ^f  

^a DESY   (Germany)

^b SWEDISH DEFENCE RESEARCH AGENCY   (Sweden)

^c LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY   (United States)

^d ARIZONA STATE UNIVERSITY   (United States)

^e UNIVERSITY OF HAMBURG   (Germany)

^f UPPSALA UNIVERSITY   (Sweden)

Author keywords

molecular dynamics; non LTE; radiation damage; X ray free electron laser

Indexed keywords

ATOMIC DISPLACEMENT; ATOMIC KINETICS AND RADIATION; ATOMIC LEVELS; ATOMIC MOVEMENTS; ATOMIC RESOLUTION; BIO-MOLECULAR; BIOLOGICAL PARTICLES; BIOLOGICAL SAMPLES; COHERENT IMAGING; COMPUTATIONAL TOOLS; CONTINUUM MODEL; DAMAGE FORMATION; DIFFERENT DAMAGES; ENTIRE SYSTEM; FEMTOSECOND X-RAY PULSE; HYDRODYNAMIC EXPANSION; INITIAL OPERATION; LINAC COHERENT LIGHT SOURCE; MOLECULAR IMAGING; NON-LTE; NONLOCAL; PHOTON ENERGY; REAL-SPACE; SHORTER WAVELENGTH; STRUCTURAL DETAILS; STRUCTURAL INFORMATION; SUBNANOMETERS; THERMODYNAMICS EQUILIBRIUM; X-RAY FREE ELECTRON LASERS;

ATOMS; CONTINUUM MECHANICS; DAMAGE DETECTION; ELECTRONS; FREE ELECTRON LASERS; LIGHT SOURCES; MOLECULAR DYNAMICS; RADIATION DAMAGE; THERMODYNAMICS; X RAYS;

CRYSTAL ATOMIC STRUCTURE;

EID: 80054706557     PISSN: 09500340     EISSN: 13623044     Source Type: Journal    
DOI: 10.1080/09500340.2011.597519     Document Type: Article

References (52)

1. Emma, P.; Akre, R.; Arthur, J.; Bionta, R.; Bostedt, C.; Bozek, J.; Brachmann, A.; Bucksbaum, P.; Coffee, R.; Decker, F.J.; Ding, Y.; Dowell, D.; Edstrom, S.; Fisher, A.; Frisch, J.; Gilevich, S.; Hastings, J.; Hays, G.; Hering, P.; Huang, Z.; Iverson, R.; Loos, H.; Messerschmidt, M.; Miahnahri, A.; Moeller, S.; Nuhn, H.D.; Pile, G.; Ratner, D.; Rzepiela, J.; Schultz, D.; Smith, T.; Stefan, P.; Tompkins, H.; Turner, J.; Welch, J.; White, W.; Wu, J.; Yocky, G.; Galayda, J. Nat. Photonics 2010, 4, 641-647.
2. Neutze, R.; Wouts, R.; van der Spoel, D.; Weckert, E.; Hajdu, J. Nature 2000, 406, 752-757.
3. Bergh, M.; T?̂mneanu, N.; van der Spoel, D. Phys. Rev. E 2004, 70, 051904.
4. Hau-Riege, S.P.; London, R.A.; Szóke, A. Phys. Rev. E 2004, 69, 051906.
5. Caleman, C.; Huldt, G.; Ortiz, C.; Maia, F.R.N.C.; Parak, F.G.; Hajdu, J.; van der Spoel, D.; Chapman, H.N.C.; Timneanu, N. ACS Nano 2011, 5, 139-146.
6. Bergh, M.; Huldt, G.; T?̂mneanu, N.; Maia, F.R.N.C.; Hajdu, J. Q. Rev. Biophys. 2008, 41, 181-204.
7. Boutet, S.; Williams, G.J. New J. Phys. 2010, 12, 035024.
8. Young, L.; Kanter, E.P.; Kraessig, B.; Li, Y.; March, A.M.; Pratt, S.T.; Santra, R.; Southworth, S.H.; Rohringer, N.; DiMauro, L.F.; Doumy, G.; Roedig, C.A.; Berrah, N.; Fang, L.; Hoener, M.; Bucksbaum, P.H.; Cryan, J.P.; Ghimire, S.; Glownia, J.M.; Reis, D.A.; Bozek, J.D.; Bostedt, C.; Messerschmidt, M. Nature 2010, 466, 56-U66.
9. Hoener, M.; Fang, L.; Kornilov, O.; Gessner, O.; Pratt, S.T.; Guehr, M.; Kanter, E.P.; Blaga, C.; Bostedt, C.; Bozek, J.D.; Bucksbaum, P.H.; Buth, C.; Chen, M.; Coffee, R.; Cryan, J.; DiMauro, L.F.; Glownia, M.; Hosler, E.; Kukk, E.; Leone, S.R.; McFarland, B.; Messerschmidt, M.; Murphy, B.; Petrovic, V.; Rolles, D.; Berrah, N. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 253002.
10. Fang, L.; Hoener, M.; Gessner, O.; Tarantelli, F.; Pratt, S.T.; Kornilov, O.; Buth, C.; Gühr, M.; Kanter, E.P.; Bostedt, C.; Bozek, J.D.; Bucksbaum, P.H.; Chen, M.; Coffee, R.; Cryan, J.; Glownia, M.; Kukk, E.; Leone, S.R.; Berrah, N. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 083005.
11. Quiney, H.M.; Nugent, K.A. Nature Physics 2011, 7, 142-146.
12. Chapman, H.N.; Barty, A.; Bogan, M.J.; Boutet, S.; Frank, M.; Hau-Riege, S.P.; Marchesini, S.; Woods, B.W.; Bajt, S.; London, R.A.; Plönjes, E.; Kuhlmann, M.; Treusch, R.; Düsterer, S.; Tschentscher, T.; Schneider, J.R.; Spiller, E.; Möller, T.; Bostedt, C.; Hoener, M.; Shapiro, D.A.; Hodgson, K.O.; van der Spoel, D.; Burmeister, F.; Bergh, M.; Caleman, C.; Huldt, G.; Seibert, M.M.; Maia, F.R.; Lee, R.W.; Szoke, A.; T?̂mneanu, N.; Hajdu, J. Nat. Phys. 2006, 2, 839-843.
13. Seibert, M.M.; Boutet, S.; Svenda, M.; Ekeberg, T.; Maia, F.R.N.C.; Bogan, M.J.; Timneanu, N.; Barty, A.; Hau-Riege, S.; Caleman, C.; Frank, M.; Benner, H.; Lee, J.Y.; Marchesini, S.; Shaevitz, J.W.; Fletcher, D.A.; Bajt, S.; Andersson, I.; Chapman, H.N.; Hajdu, J. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 2010, 43, 194015.
14. Chapman, H.N.; Fromme, P.; Barty, A.; White, T.A.; Kirian, R.A.; Aquila, A.; Hunter, M.S.; Schulz, J.; DePonte, D.P.; Weierstall, U.; Doak, R.B.; Maia, F.R.N.C.; Martin, A.V.; Schlichting, I.; Lomb, L.; Coppola, N.; Shoeman, R.L.; Epp, S.W.; Hartmann, R.; Rolles, D.; Rudenko, A.; Foucar, L.; Kimmel, N.; Weidenspointner, G.; Holl, P.; Liang, M.; Barthelmess, M.; Caleman, C.; Boutet, S.; Bogan, M.J.; Krzywinski, J.; Bostedt, C.; Bajt, S.; Gumprecht, L.; Rudek, B.; Erk, B.; Schmidt, C.; Hoemke, A.; Reich, C.; Pietschner, D.; Strueder, L.; Hauser, G.; Gorke, H.; Ullrich, J.; Herrmann, S.; Schaller, G.; Schopper, F.; Soltau, H.; Kuehnel, K.U.; Messerschmidt, M.; Bozek, J.D.; Hau- Riege, S.P.; Frank, M.; Hampton, C.Y.; Sierra, R.G.; Starodub, D.; Williams, G.J.; Hajdu, J.; Timneanu, N.; Seibert, M.M.; Andreasson, J.; Rocker, A.; Joensson, O.; Svenda, M.; Stern, S.; Nass, K.; Andritschke, R.; Schroeter, C.D.; Krasniqi, F.; Bott, M.; Schmidt, K.E.; Wang, X.; Grotjohann, I.; Holton, J.M.; Barends, T.R.M.; Neutze, R.; Marchesini, S.; Fromme, R.; Schorb, S.; Rupp, D.; Adolph, M.; Gorkhover, T.; Andersson, I.; Hirsemann, H.; Potdevin, G.; Graafsma, H.; Nilsson, B.; Spence, H.A. Nature 2011, 470, 73-U81.
15. Seibert, M.M.; Ekeberg, T.; Maia, F.R.N.C.; Svenda, M.; Andreasson, J.; Joensson, O.; Odic, D.; Iwan, B.; Rocker, A.; Westphal, D.; Hantke, M.; DePonte, D.P.; Barty, A.; Schulz, J.; Gumprecht, L.; Coppola, N.; Aquila, A.; Liang, M.; White, T.A.; Martin, A.; Caleman, C.; Stern, S.; Abergel, C.; Seltzer, V.; Claverie, J.M.; Bostedt, C.; Bozek, J.D.; Boutet, S.; Miahnahri, A.A.; Messerschmidt, M.; Krzywinski, J.; Williams, G.; Hodgson, K.O.; Bogan, M.J.; Hampton, C.Y.; Sierra, R.G.; Starodub, D.; Andersson, I.; Bajt, S.; Barthelmess, M.; Spence, J.C.H.; Fromme, P.; Weierstall, U.; Kirian, R.; Hunter, M.; Doak, R.B.; Marchesini, S.; Hau-Riege, S.P.; Frank, M.; Shoeman, R.L.; Lomb, L.; Epp, S.W.; Hartmann, R.; Rolles, D.; Rudenko, A.; Schmidt, C.; Foucar, L.; Kimmel, N.; Holl, P.; Rudek, B.; Erk, B.; Hoemke, A.; Reich, C.; Pietschner, D.; Weidenspointner, G.; Strueder, L.; Hauser, G.; Gorke, H.; Ullrich, J.; Schlichting, I.; Herrmann, S.; Schaller, G.; Schopper, F.; Soltau, H.; Kuehnel, K.U.; Andritschke, R.; Schroeter, C.D.; Krasniqi, F.; Bott, M.; Schorb, S.; Rupp, D.; Adolph, M.; Gorkhover, T.; Hirsemann, H.; Potdevin, G.; Graafsma, H.; Nilsson, B.; Chapman, H.N.; Hajdu, J. Nature 2011, 470, 78-U86.
16. Kirian, R.A.; Wang, X.; Weierstall, U.; Schmidt, K.E.; Spence, J.C.H.; Hunter, M.; Fromme, P.; White, T.; Chapman, H.N.; Holton, J. Opt. Express 2010, 18, 5713-5723.
17. Spence, J.C.H.; Kirian, R.A.; Wang, X.; Weierstall, U.; Schmidt, K.E.; White, T.; Barty, A.; Chapman, H.N.; Marchesini, S.; Holton, J. Opt. Express 2011, 19, 2866-2873.
18. Andreasson, J.; Iwan, B.; Andrejczuk, A.; Abreu, E.; Bergh, M.; Caleman, C.; Nelson, A.J.; Bajt, S.; Chalupsky, J.; Chapman, H.N.; Fäustlin, R.R.; Hajkova, V.; Heimann, P.A.; Hjörvarsson, B.; Juha, L.; Klinger, D.; Krzywinski, J.; Nagler, B.; Pálsson, G.K.; Singer, W.; Seibert, M.M.; Sobierajski, R.; Toleikis, S.; Tschentscher, T.; Vinko, S.M.; Lee, R.W.; Hajdu, J.; Timneanu, N. Phys. Rev. E 2011, 83, 016403.
19. Bergh, M.; T?̂mneanu, N.; Hau-Riege, S.P.; Scott, H.A. Phys. Rev. E 2008, 77, 026404.
20. Caleman, C.; Ortiz, C.; Marklund, E.; Bultmark, F.; Gabrysch, M.; Parak, F.G.; Hajdu, J.; Klintenberg, M.; Timneanu, N. Europhys. Lett. 2009, 85, 18005, erratum 88:29901.
21. Ortiz, C.; Caleman, C. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 17442-17447.
22. Pryor, A.W.; Sanger, P.L. Acta Crystallogr. A 1970, 26, 543-558.
23. T?̂mneanu, N.; Caleman, C.; Hajdu, J.; van der Spoel, D. Chem. Phys. 2004, 299, 277-283.
24. Gabrysch, M.; Marklund, E.; Hajdu, J.; Twitchen, D.J.; Rudati, J.; Lindenberg, A.M.; Caleman, C.; Falcone, R.W.; Tschentscher, T.; Moffat, K.; Bucksbaum, P.H.; Als-Nielsen, J.; Nelson, A.J.; Siddons, D.P.; Emma, P.J.; Krejcik, P.; Schlarb, H.; Arthur, J.; Brennan, S.; Hastings, J., et al. J. Appl. Phys. 2008, 103, 064909.
25. Ziaja, B.; London, R.A.; Hajdu, J. J. Appl. Phys. 2005, 97, 064905.
26. Neutze, R.; Huldt, G.; Hajdu, J., et al. Radiat. Phys. Chem. 2004, 71, 905-916.
27. Berendsen, H.J.C.; van der Spoel, D.; van Drunen, R. Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 43-56.
28. Lindahl, E.; Hess, B.A.; van der Spoel, D. J. Mol. Mod. 2001, 7, 306-317.
29. van der Spoel, D.; Lindahl, E.; Hess, B.; Groenhof, G.; Mark, A.E.; Berendsen, J.C. J. Comp. Chem. 2005, 26, 1701-1718.
30. Kaminski, G.A.; Friesner, R.A.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen, W.L. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6474-6487.
31. Morse, P.M. Phys. Rev. 1929, 34, 57-64.
32. Scott, H.A.; Mayle, R.W. Appl. Phys. B 1994, 58, 35-43.
33. Scott, H.A. J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transf. 2001, 71, 689-701.
34. More, R. J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transf. 1982, 27, 345.
35. Henke, B.; Gullikson, E.; Davis, J. Atom. Nucl. Data Tabl. 1993, 54, 181-342.
36. Spitzer, L. Physics of Fully Ionized Gases; Interscience Publishers: New York, 1956.
37. Gericke, D.; Murillo, M.S.; Schlanges, M. Phys. Rev. E 2002, 65, 036418.
38. Stewart, J.C.; Pyatt, K.D. Astrophys. J. 1966, 144, 1203.
39. Nantel, M.; Ma, G.; Gu, S.; Cô té , C.Y.; Itatani, J.; Umstadter, D. Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 4442-4445.
40. Kuranz, C.C.; Drake, R.P.; Harding, E.C.; Grosskopf, M.J.; Robey, H.F.; Remington, B.A.; Edwards, M.J.; Miles, A.R.; Perry, T.S.; Blue, B.E.; Plewa, T.; Hearn, N.C.; Knauer, J.P.; Arnett, D.; Leibrandt, D.R. Astrophys. J. 2009, 696, 749.
41. Hau-Riege, S.P.; Chapman, H.N.; Krzywinski, J.; Sobierajski, R.; Bajt, S.; London, R.A.; Bergh, M.; Caleman, C.; Nietubyc, R.; Juha, L.; Kuba, J.; Spiller, E.; Baker, S.; Bionta, R.; Tinten, K.S.; Stojanovic, N.; Kjornrattanawanich, B.; Gullikson, E.; Plonjes, E.; Toleikis, S.; Tschentscher, T. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 145502.
42. Chapman, H.N.; Hau-Riege, S.P.; Bogan, M.J.; Bajt, S.; Barty, A.; Boutet, S.; Marchesini, S.; Frank, M.; Woods, B.W.; Benner, W.H.; London, R.A.; Rohner, U.; Szoke, A.; Spiller, E.; Moller, T.; Bostedt, C.; Shapiro, D.A.; Kuhlmann, M.; Treusch, R.; Plonjes, E.; Burmeister, F.; Bergh, M.; Caleman, C.; Huldt, G.; Seibert, M.M.; Hajdu, J. Nature 2007, 448, 676-679.
43. Ackermann, W.; Asova, G.; Ayvazyan, V.; Azima, A.; Baboi, N.; Baehr, J.; Balandin, V.; Beutner, B.; Brandt, A.; Bolzmann, A.; Brinkmann, R.; Brovko, O.I.; Castellano, M.; Castro, P.; Catani, L.; Chiadroni, E.; Choroba, S.; Cianchi, A.; Costello, J.T.; Cubaynes, D.; Dardis, J.; Decking, W.; Delsim-Hashemi, H.; Delserieys, A.; Di Pirro, G.; Dohlus, M.; Duesterer, S.; Eckhardt, A.; Edwards, H.T.; Faatz, B.; Feldhaus, J.; Floettmann, K.; Frisch, J.; Froehlich, L.; Garvey, T.; Gensch, U.; Gerth, C.; Goerler, M.; Golubeva, N.; Grabosch, H.J.; Grecki, M.; Grimm, O.; Hacker, K.; Hahn, U.; Han, J.H.; Honkavaara, K.; Hott, T.; Huening, M.; Ivanisenko, Y.; Jaeschke, E.; Jalmuzna, W.; Jezynski, T.; Kammering, R.; Katalev, V.; Kavanagh, K.; Kennedy, E.T.; Khodyachykh, S.; Klose, K.; Kocharyan, V.; Koerfer, M.; Kollewe, M.; Koprek, W.; Korepanov, S.; Kostin, D.; Krassilnikov, M.; Kube, G.; Kuhlmann, M.; Lewis, C.L.S.; Lilje, L.; Limberg, T.; Lipka, D.; Loehl, F.; Luna, H.; Luong, M.; Martins, M.; Meyer, M.; Michelato, P.; Miltchev, V.; Moeller, W.D.; Monaco, L.; Mueller, W.F.O.; Napieralski, O.; Napoly, O.; Nicolosi, P.; Noelle, D.; Nunez, T.; Oppelt, A.; Pagani, C.; Paparella, R.; Pchalek, N.; Pedregosa-Gutierrez, J.; Petersen, B.; Petrosyan, B.; Petrosyan, G.; Petrosyan, L.; Pflueger, J.; Ploenjes, E.; Poletto, L.; Pozniak, K.; Prat, E.; Proch, D.; Pucyk, P.; Radcliffe, P.; Redlin, H.; Rehlich, K.; Richter, M.; Roehrs, M.; Roensch, J.; Romaniuk, R.; Ross, M.; Rossbach, J.; Rybnikov, V.; Sachwitz, M.; Saldin, E.L.; Sandner, W.; Schlarb, H.; Schmidt, B.; Schmitz, M.; Schmueser, P.; Schneider, J.R.; Schneidmiller, E.A.; Schnepp, S.; Schreiber, S.; Seidel, M.; Sertore, D.; Shabunov, A.V.; Simon, C.; Simrock, S.; Sombrowski, E.; Sorokin, A.A.; Spanknebel, P.; Spesyvtsev, R.; Staykov, L.; Steffen, B.; Stephan, F.; Stulle, F.; Thom, H.; Tiedtke, K.; Tischer, M.; Toleikis, S.; Treusch, R.; Trines, D.; Tsakov, I.; Vogel, E.; Weiland, T.; Weise, H.; Wellhoeffer, M.; Wendt, M.; Will, I.; Winter, A.; Wittenburg, K.; Wurth, W.; Yeates, P.; Yurkov, M.V.; Zagorodnov, I.; Zapfe, K. Nat. Photonics 2007, 1, 336-342.
44. Chalupský , J.; Juha, L.; Cihelka, J.J.; Há jková , V.; Koptyaev, S.; Krá sa, J.; Velyhan, A.; Bergh, M.; Caleman, C.; Hajdu, J.; Bionta, R.M.; Chapman, H.; Hau-Riege, S.P.; London, R.A.; Jurek, M.; Krzywinski, J.; Nietubyc, R.; Pelka, J.B.; Sobierajski, R.; ter Vehn, J.M.; Tronnier, A.; Sokolowski-Tinten, K.; Stojanovic, N.; Tiedtke, K.; Toleikis, S.; Tschentscher, T.; Wabnitz, H.; Zastrau, U. Opt. Express 2007, 15, 6036-6043.
45. Hau-Riege, S.P.; London, R.A.; Bionta, R.M.; McKernan, M.A.; Baker, S.L.; Krzywinski, J.; Sobierajski, R.; Nietubyc, R.; Pelka, J.B.; Jurek, M.; Juha, L.; Chalupský , J.; Cihelka, J.; Há jková , V.; Velyhan, A.; Krá sa, J.; Kuba, J.; Tiedtke, K.; Toleikis, S.; Tschentscher, T.; Wabnitz, H.; Bergh, M.; Caleman, C.; Sokolowski-Tinten, K.; Stojanovic, N.; Zastrau, U. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 173128.
46. Hau-Riege, S.P.; London, R.A.; Bionta, R.M.; Ryutov, D.; Soufli, R.; Bajt, S.; McKernan, M.A.; Baker, S.L.; Krzywinski, J.; Sobierajski, R.; Nietubyc, R.; Klinger, D.; Pelka, J.B.; Jurek, M.; Juha, L.; Chalupský , J.; Cihelka, J.; Há jková , V.; Velyhan, A.; Ká rsa, J.; Tiedtke, K.; Toleikis, S.; Wabnitz, H.; Bergh, M.; Caleman, C.; Timneanu, N. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 111104.
47. Harbst, M.; Hansen, T.N.; Caleman, C.; Fullagar, W.K.; Jonsson, P.; Sondhauss, P.; Synnergren, O.; Larsson, J. Appl. Phys. A 2005, 81, 893-900.
48. Jurek, Z.; Faigel, G.; Tegze, M. Eur. Phys. J. D 2004, 29, 217-229.
49. Hau-Riege, S.P.; London, R.A.; Chapman, H.N.; Szoke, A.; Timneanu, N. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 198302.
50. Shapiro, D.A.; Chapman, H.N.; DePonte, D.; Doak, R.B.; Fromme, P.; Hembree, G.; Hunter, M.; Marchesini, S.; Schmidt, K.; Spence, J.; Starodub, D.; Weierstall, U. J. Sync. Rad. 2008, 15, 593-599.
51. Jordan, P.; Fromme, P.; Witt, H.; Klukas, O.; Saenger, W.; Krauss, N. Nature 2001, 411, 909-917.
52. Faigel, G.; Jurek, Z.; Oszlanyi, G.; Tegze, M. J. Alloy. Compd. 2005, 401, 86-91.