Новое высокое разрешение X

30 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

немецкий электронный синхротрон

Пыльцевое зерно, демонстрирующее нанопену внутри, или диатомовую водоросль с четко видимыми отдельными геометрическими структурами внутри: используя высокоэнергетические рентгеновские лучи от синхротронного источника света PETRA III в DESY, команде под руководством ученых CFEL Саши Байт и Генри Чепмена удалось изобразите эти структуры, не повреждая их.

Их новая технология генерирует рентгеновские изображения высокого разрешения высушенного биологического материала, который не был заморожен, покрыт или иным образом изменен заранее — и все это практически без повреждения образца. Этот метод, который также используется для сканирования багажа в аэропортах, позволяет создавать изображения материала с нанометровым разрешением.

Используя высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые интенсивно фокусируются с помощью набора новых дифракционных линз, специальный метод позволяет выполнять визуализацию при менее чем 1% порога повреждения образца рентгеновскими лучами. Результаты, которые показывают, что этот метод является многообещающим инструментом для более ярких источников света следующего поколения, таких как запланированный проект модернизации PETRA IV, были опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

Рентгеновский свет взаимодействует с биологическим материалом по-разному, в основном в зависимости от энергии и интенсивности света. В то же время радиационные повреждения, такие как небольшие структурные изменения вплоть до полной деградации образца, являются лимитирующим фактором при рентгеновской визуализации биологических образцов.

При низких энергиях рентгеновские лучи в первую очередь поглощаются атомами образца, чьи электроны перенимают энергию, заставляя их выскакивать из атомов и повреждать образец. Таким образом, изображения с использованием этих низкоэнергетических рентгеновских лучей отображают поглощение излучения образцом. При более высоких энергиях поглощение менее вероятно, и происходит процесс, называемый упругим рассеянием, когда рентгеновские фотоны «отскакивают» от вещества, как бильярдные шары, не отдавая при этом своей энергии.

Это взаимодействие используется в таких методах, как кристаллография или птихография. Тем не менее, поглощение все равно может произойти, а это означает, что повреждение образца все равно произойдет. Но есть и третье взаимодействие: комптоновское рассеяние, при котором рентгеновские лучи оставляют лишь небольшое количество своей энергии в материале мишени. Комптоновское рассеяние в значительной степени игнорировалось как жизнеспособный метод рентгеновской микроскопии, поскольку оно требует еще более высоких энергий рентгеновских лучей, тогда как до сих пор не существовало подходящих линз с высоким разрешением.

«Мы использовали комптоновское рассеяние и выяснили, что количество энергии, вкладываемой в образец на количество фотонов, которые вы можете обнаружить, меньше, чем при использовании других методов», — говорит Чепмен, ведущий ученый в DESY, профессор Университета. Гамбург и изобретатель различных рентгеновских методов на синхротронах и лазерах на свободных электронах.

Преимущество низкой дозы в образце создало проблему для изготовления подходящих линз. Высокоэнергетические рентгеновские лучи проходят через все материалы и практически не преломляются и не изгибаются, что необходимо для фокусировки. Байт, руководитель группы в CFEL, руководил разработкой нового типа преломляющих линз, называемых многослойными линзами Лауэ. Эта новая оптика состоит из чередующихся слоев карбида кремния и карбида вольфрама толщиной более 7300 нанометров, которые команда использовала для создания голографического оптического элемента, достаточно толстого, чтобы эффективно фокусировать рентгеновский луч.

Используя эту систему линз и линию луча P07 PETRA III в DESY, команда получила изображения различных биологических материалов, обнаружив данные комптоновского рассеяния, когда образец проходил через сфокусированный луч. Этот режим сканирующей микроскопии требует очень яркого источника — чем ярче, тем лучше — который фокусируется в точке, определяющей разрешение изображения.