Рентгеновский микроскоп - X-ray microscope

Изображение 10-дневного ребенка, сделанное с помощью рентгеновского микроскопа. канола растение.[1]

An Рентгеновский микроскоп использует электромагнитное излучение в мягком рентгеновский снимок полоса для получения увеличенных изображений объектов. Поскольку рентгеновские лучи проникают в большинство объектов, нет необходимости специально готовить их для наблюдений с помощью рентгеновской микроскопии.

В отличие от видимого свет, Рентгеновские лучи не отражаются и не преломляются легко, и они невидимы для человеческого глаза. Следовательно, рентгеновский микроскоп экспонирует пленку или использует устройство с зарядовой связью (CCD) детектор для обнаружения рентгеновских лучей, которые проходят через образец. Это технология контрастной визуализации, использующая разницу в поглощении мягких рентгеновских лучей в водяное окно области (длины волн: 2,34-4,4 нм, энергии: 280-530 эВ) атомом углерода (главный элемент, составляющий живую клетку) и атомом кислорода (основным элементом для воды).

Микрофокусный рентген также обеспечивает большое увеличение за счет проецирования. Рентгеновская трубка с микрофокусом производит рентгеновское излучение из чрезвычайно маленького фокусного пятна (от 5 мкм до 0,1 мкм). Рентгеновские лучи находятся в более обычном рентгеновском диапазоне (от 20 до 300 кВ), и они не перефокусированы.

Изобретения и разработки

История рентгеновской микроскопии восходит к началу 20 века. После немецкого физика Рентген открыв рентгеновские лучи в 1895 году, ученые вскоре осветили объект с помощью точечного источника рентгеновского излучения и получили теневые изображения объекта с разрешением в несколько микрон.[2] В 1918 году Эйнштейн указал, что показатель преломления для рентгеновских лучей в большинстве сред должно быть чуть меньше 1,[3] Это означает, что преломляющие оптические детали будет трудно использовать для рентгеновских лучей.

Ранние рентгеновские микроскопы Пол Киркпатрик и Альберт Баэз использовал заболеваемость выпасом отражающий Рентгеновская оптика для фокусировки рентгеновских лучей, которые задевают рентгеновские лучи параболический изогнутые зеркала на очень высоком угол падения. Альтернативный метод фокусировки рентгеновских лучей - использование крошечного Френель зонная пластина концентрических золотых или никелевых колец на диоксид кремния субстрат. сэр Лоуренс Брэгг произвел одни из первых пригодных для использования рентгеновских изображений с помощью своего аппарата в конце 1940-х годов.

Лазер с косвенным приводом термоядерный синтез с инерционным удержанием использует "hohlraum", который облучается конусами лазерного луча с обеих сторон на своей внутренней поверхности, чтобы омыть термоядерную микрокапсулу внутри гладкими рентгеновскими лучами высокой интенсивности. Рентгеновские лучи с наивысшей энергией, проникающие через хольраум, можно визуализировать с помощью рентгеновского микроскопа, такого как здесь, где рентгеновское излучение представлено оранжевым / красным.

В 1950-е годы Стерлинг Ньюберри изготовили теневой рентгеновский микроскоп, в котором образец помещался между источником и мишенью, что стало основой для первых коммерческих рентгеновских микроскопов от Компания General Electric.

После периода молчания в 1960-х годах к рентгеновской микроскопии вернулось внимание людей в 1970-х. В 1972 г. Горовиц и Хауэлл построили первый рентгеновский микроскоп на основе синхротрона в Кембриджском ускорителе электронов.[4] Этот микроскоп сканировал образцы с использованием синхротронного излучения из крошечного отверстия и показал возможности как просвечивающей, так и флуоресцентной микроскопии. Среди других достижений этого периода - первая голографическая демонстрация Садао Аоки и Сейши Кикута в Японии,[5] первые TXM с использованием зонных пластин Schmahl et al.,[6] и эксперименты Стоуни Брука в STXM.[7][8]

Использование синхротронных источников света открыло новые возможности для рентгеновской микроскопии в 1980-х годах. Однако, поскольку новые микроскопы на основе синхротронных источников создавались многими группами, люди осознавали, что проводить такие эксперименты было трудно из-за недостаточных технологических возможностей в то время, таких как плохое когерентное освещение, рентгеновские оптические элементы низкого качества и пользователь -недружественные источники света.[9]

В 1990-е годы появление новых инструментов и источников света во многом способствовало развитию рентгеновской микроскопии. Были успешно продемонстрированы методы микроскопии, включая томографию, крио и крио-томографию. С быстрым развитием рентгеновская микроскопия нашла новые применения в почвоведении, геохимии, науках о полимерах и магнетизме. Аппаратное обеспечение также было миниатюрным, чтобы исследователи могли проводить эксперименты в своих собственных лабораториях.[9]

Источники рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой интенсивностью 9,25 кэВ для рентгеновской фазово-контрастной микроскопии из фокального пятна размером примерно 10 мкм x 10 мкм могут быть получены с помощью несинхротронного источника рентгеновского излучения, который использует сфокусированный электронный пучок и жидкометаллический анод. Это было продемонстрировано в 2003 году, а в 2017 году было использовано для изображения мозга мыши с размером вокселя около одного кубического микрометра (см. Ниже).[10]

С ростом числа приложений рентгеновская микроскопия превратилась в рутинный, проверенный метод, используемый в науках об окружающей среде и почве, гео- и космохимии, науках о полимерах, биологии, магнетизме, материаловедении. В связи с ростом спроса на рентгеновскую микроскопию в этих областях по всему миру строятся микроскопы на основе синхротрона, жидкометаллического анода и других лабораторных источников света. Рентгеновская оптика и компоненты также быстро коммерциализируются.[9]

Приборы

Рентгеновская оптика

Основная статья: Рентгеновская оптика

Источники синхротронного света

Основная статья: Источник синхротронного света

Расширенный источник света

Усовершенствованный источник света (ALS) в Беркли, Калифорния, является домом для XM-1, мягкого рентгеновского микроскопа с полным полем поля, управляемого Центром рентгеновской оптики и предназначенного для различных приложений в современной нанонауке, таких как наномагнитные материалы. , экологии, материаловедения и биологии. В XM-1 используется рентгеновская линза для фокусировки рентгеновских лучей на ПЗС-матрице, как в оптическом микроскопе. XM-1 установил мировой рекорд по пространственному разрешению с зонными пластинами Френеля до 15 нм и способен сочетать высокое пространственное разрешение с временным разрешением менее 100 пс для изучения, например, сверхбыстрая спиновая динамика. В июле 2012 г. группа в г. DESY заявили о рекордном пространственном разрешении 10 нм при использовании сканирующего микроскопа с жестким рентгеновским излучением в PETRA III.[11]

В ALS также находится первый в мире мягкий рентгеновский микроскоп, предназначенный для биологических и биомедицинских исследований. Этот новый прибор XM-2 был разработан и изготовлен учеными из Национального центра рентгеновской томографии. XM-2 способен производить трехмерные томограммы ячеек.

Источник рентгеновского излучения с жидкометаллическим анодом

Источники рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой интенсивностью 9,25 кэВ (линия K-альфа галлия) для рентгеновской фазово-контрастной микроскопии из фокального пятна размером примерно 10 мкм x 10 мкм могут быть получены с помощью источника рентгеновского излучения, в котором используется жидкость. металл Галинстан анод. Это было продемонстрировано в 2003 году.[10] Металл течет из сопла вниз с высокой скоростью, и источник электронов высокой интенсивности фокусируется на нем. Быстрый поток металла несет ток, но физический поток предотвращает значительный нагрев анода (из-за принудительно-конвективного отвода тепла), а высокая температура кипения галинстана препятствует испарению анода. Этот метод был использован для изображения мозга мыши в трех измерениях с размером вокселя около одного кубического микрометра.[12]

Устройства обнаружения

Основная статья: Детектор рентгеновского излучения

Сканирующая передача

Источники мягкого рентгеновского излучения, подходящие для микроскопии, такие как синхротрон Источники излучения имеют достаточно низкую яркость требуемых длин волн, поэтому альтернативным методом формирования изображения является сканирующая просвечивающая мягкая рентгеновская микроскопия. Здесь рентгеновские лучи фокусируются в точку, и образец механически сканируется через созданное фокусное пятно. В каждой точке прошедшие рентгеновские лучи регистрируются с помощью детектора, такого как пропорциональный счетчик или лавинный фотодиод. Этот тип сканирующего трансмиссионного рентгеновского микроскопа (STXM) был впервые разработан исследователями из Университета Стони Брук и использовался в Национальный синхротронный источник света в Брукхейвенская национальная лаборатория.

Разрешение

Разрешение рентгеновской микроскопии находится между разрешением оптического микроскопа и электронный микроскоп. Он имеет преимущество перед обычной электронной микроскопией в том, что он позволяет рассматривать биологические образцы в их естественном состоянии. Электронная микроскопия широко используется для получения изображений с разрешением на уровне от нанометра до субангстрема, но относительно толстую живую клетку невозможно наблюдать, поскольку образец необходимо химически зафиксировать, обезвожить, залить смолой, а затем нарезать ультратонкими ломтиками. Однако следует отметить, что криоэлектронная микроскопия позволяет наблюдать за биологическими образцами в их естественном гидратированном состоянии, хотя и погруженными в водяной лед. До сих пор разрешение 30 нанометров возможно при использовании линз с зонной пластиной Френеля, которая формирует изображение с помощью мягкого рентгеновского излучения, испускаемого синхротроном. В последнее время все более популярным становится использование мягкого рентгеновского излучения, излучаемого лазерной плазмой, а не синхротронного излучения.

Анализ

Кроме того, рентгеновские лучи вызывают флуоресценция в большинстве материалов, и эти выбросы могут быть проанализированы для определения химические элементы отображаемого объекта. Другое использование - создание дифракция паттерны, процесс, используемый в Рентгеновская кристаллография. Анализируя внутренние отражения дифракционной картины (обычно с помощью компьютерной программы), трехмерная структура кристалл можно определить вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Для этих анализов иногда используются рентгеновские микроскопы, потому что образцы слишком малы для анализа каким-либо другим способом.

Биологические приложения

Одним из первых применений рентгеновской микроскопии в биологии была контактная визуализация, впервые разработанная Бычок в 1913 году. В этой технике мягкие рентгеновские лучи облучают образец и обнажают чувствительные к рентгеновскому излучению эмульсии под ним. Затем увеличенные томографические изображения эмульсий, которые соответствуют рентгеновским картам непрозрачности образца, записываются с использованием светового микроскопа или электронного микроскопа. Уникальным преимуществом рентгеновской контактной визуализации перед электронной микроскопией была возможность изображения влажных биологических материалов. Таким образом, его использовали для изучения микро- и наноразмерных структур растений, насекомых и клеток человека. Однако несколько факторов, включая искажения эмульсии, плохие условия освещения и низкое разрешение способов исследования эмульсий, ограничивают разрешение контактной визуализации. Электронное повреждение эмульсий и эффекты дифракции также могут привести к появлению артефактов на окончательных изображениях.[13]

Рентгеновская микроскопия обладает уникальными преимуществами с точки зрения наноразмерного разрешения и высокой проникающей способности, которые необходимы в биологических исследованиях. Благодаря недавнему значительному прогрессу в инструментах и ​​фокусировке, три классических вида оптики - дифракционная,[14] светоотражающий[15][16] преломляющий[17] оптика - все они успешно расширились до рентгеновского диапазона и были использованы для исследования структур и динамики на клеточном и субклеточном уровнях. В 2005 году Шапиро и др. сообщили о клеточной визуализации дрожжей с разрешением 30 нм с использованием когерентной мягкой рентгеновской дифракционной микроскопии.[18] В 2008 году было продемонстрировано рентгеновское изображение неокрашенного вируса.[19] Годом позже дифракция рентгеновских лучей была применена для визуализации трехмерной структуры неокрашенной хромосомы человека.[20] Таким образом, рентгеновская микроскопия показала свою большую способность преодолевать дифракционный предел классических световых микроскопов; однако дальнейшее повышение разрешения ограничено пикселями детектора, оптическими приборами и размерами источников.

Долгое время основной проблемой рентгеновской микроскопии является радиационное повреждение, поскольку рентгеновские лучи высокой энергии образуют сильные радикалы и вызывают вредные реакции во влажных образцах. В результате биологические образцы обычно фиксируются или лиофилизируются перед облучением мощными рентгеновскими лучами. Быстрая криообработка также широко используется для сохранения неповрежденных гидратированных структур.[21]

Площадь бериллий фольга в стальном футляре, которая используется в качестве окна между вакуумной камерой и рентгеновским микроскопом. Бериллий из-за своего низкого числа Z очень прозрачен для рентгеновских лучей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Карунакаран, Читра; Лахлали, Рашид; Чжу, Нин; Уэбб, Адам М .; Шмидт, Марина; Франсишин, Кайл; Белев, Георгий; Высокинский, Томаш; Олсон, Джереми; Купер, Дэвид М. Л .; Холлин, Эмиль (2015). «Факторы, влияющие на внутреннюю структурную визуализацию в реальном времени и мониторинг динамических процессов на предприятиях с использованием фазово-контрастной рентгеновской визуализации на основе синхротрона». Научные отчеты. 5: 12119. Bibcode:2015НатСР ... 512119K. Дои:10.1038 / srep12119. ЧВК  4648396. PMID  26183486.
  2. ^ Мальш, Фридрих (1939-12-01). "Erzeugung stark vergrößerter Röntgen-Schattenbilder". Naturwissenschaften (на немецком). 27 (51): 854–855. Bibcode:1939NW ..... 27..854M. Дои:10.1007 / BF01489432. ISSN  1432-1904.
  3. ^ Senn, E. (1989), "Grundsätzliche Überlegungen zur Physikalischen Diagnostik und Therapie von Muskelschmerzen", Verhandlungen der Deutschen Gesellschaft für Innere Medizin, 95, Springer Berlin Heidelberg, стр. 668–674, Дои:10.1007/978-3-642-83864-4_129, ISBN  9783540514374
  4. ^ Horowitz, P .; Хауэлл, Дж. А. (1972-11-10). «Сканирующий рентгеновский микроскоп с использованием синхротронного излучения». Наука. 178 (4061): 608–611. Bibcode:1972Научный ... 178..608H. Дои:10.1126 / science.178.4061.608. ISSN  0036-8075. PMID  5086391.
  5. ^ Аоки, Садао; Кикута, Сейши (1974). «Рентгеновская голографическая микроскопия». Японский журнал прикладной физики. 13 (9): 1385–1392. Bibcode:1974JaJAP..13.1385A. Дои:10.1143 / jjap.13.1385. ISSN  0021-4922.
  6. ^ Niemann, B .; Рудольф, Д .; Шмаль, Г. (1974). «Мягкие рентгеновские зонные пластины с большим количеством зон для микроскопических и спектроскопических применений». Оптика Коммуникации. 12 (2): 160–163. Bibcode:1974OptCo..12..160N. Дои:10.1016/0030-4018(74)90381-2. ISSN  0030-4018.
  7. ^ Rarback, H .; Cinotti, F .; Jacobsen, C .; Kenney, J.M .; Kirz, J .; Россер Р. (1987). «Элементный анализ с использованием методов дифференциальной абсорбции». Биологические исследования микроэлементов. 13 (1): 103–113. Дои:10.1007 / bf02796625. ISSN  0163-4984. PMID  24254669.
  8. ^ Rarback, H .; Шу, Д .; Фэн Су Ченг; Ade, H .; Jacobsen, C .; Kirz, J .; McNulty, I .; Владимирский, Ю .; Керн, Д. (1988), "Сканирующий микроскоп Стоуни-Брук / NSLS", Серия Springer в оптических науках, Springer Berlin Heidelberg, стр. 194–200, Дои:10.1007/978-3-540-39246-0_35, ISBN  9783662144909
  9. ^ а б c Кирз, Дж; Якобсен, К. (2009-09-01). «История и будущее рентгеновской микроскопии». Journal of Physics: Серия конференций. 186 (1): 012001. Bibcode:2009JPhCS.186a2001K. Дои:10.1088/1742-6596/186/1/012001. ISSN  1742-6596.
  10. ^ а б Жидкометаллический анодный анодный рентгеновский источник электронного удара. О. Хемберг, М. Отендал и Х. М. Герц. Appl. Phys. Lett. 83, 1483 (2003); [1]
  11. ^ Когерентная рентгеновская сканирующая микроскопия на PETRA III достигла разрешения 10 нм (июнь 2012 г.). Hasylab.desy.de. Проверено 14 декабря 2015.
  12. ^ Теппервен, Марейке; Кренкель, Мартин; Винченц, Даниэль; Штёбер, Франциска; Oelschlegel, Anja M .; Гольдшмидт, Юрген; Салдитт, Тим (2017). «Трехмерная цитоархитектура мозга мыши, выявленная с помощью лабораторной рентгеновской фазово-контрастной томографии». Научные отчеты. 7: 42847. Bibcode:2017НатСР ... 742847Т. Дои:10.1038 / srep42847. ЧВК  5327439. PMID  28240235.
  13. ^ Ченг, Пин-чин. (1987). Рентгеновская микроскопия: приборы и биологические приложения. Ян, Гво-джен. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  9783642728815. OCLC  851741568.
  14. ^ Чао, Вэйлун; Хартенек, Брюс Д .; Лиддл, Дж. Александер; Андерсон, Эрик Х .; Аттвуд, Дэвид Т. (2005). «Мягкая рентгеновская микроскопия с пространственным разрешением лучше 15 нм». Природа. 435 (7046): 1210–1213. Bibcode:2005 Натур. 435.1210C. Дои:10.1038 / природа03719. ISSN  0028-0836. PMID  15988520.
  15. ^ Hignette, O .; Cloetens, P .; Rostaing, G .; Bernard, P .; Мораве, К. (июнь 2005 г.). «Эффективная фокусировка жесткого рентгеновского излучения менее 100 нм». Обзор научных инструментов. 76 (6): 063709–063709–5. Bibcode:2005RScI ... 76f3709H. Дои:10.1063/1.1928191. ISSN  0034-6748.
  16. ^ Мимура, Хидеказу; Ханда, Соичиро; Кимура, Такаши; Юмото, Хирокатсу; Ямакава, Дайсуке; Ёкояма, Хикару; Мацуяма, Сатоши; Инагаки, Кодзи; Ямамура, Казуя (22 ноября 2009 г.). «Преодоление барьера 10 нм при фокусировке жесткого рентгеновского излучения». Природа Физика. 6 (2): 122–125. Дои:10.1038 / nphys1457. ISSN  1745-2473.
  17. ^ Schroer, C.G .; Курапова, О .; Patommel, J .; Boye, P .; Feldkamp, ​​J .; Ленгелер, Б .; Burghammer, M .; Riekel, C .; Винче, Л. (19 сентября 2005 г.). «Жесткий рентгеновский нанозонд на основе рефракционных рентгеновских линз». Письма по прикладной физике. 87 (12): 124103. Bibcode:2005АпФЛ..87л4103С. Дои:10.1063/1.2053350. ISSN  0003-6951.
  18. ^ Шапиро, Д .; Thibault, P .; Beetz, T .; Elser, V .; Howells, M .; Jacobsen, C .; Kirz, J .; Lima, E .; Мяо, Х. (11 октября 2005 г.). «Биологическая визуализация с помощью мягкой рентгеновской дифракционной микроскопии». Труды Национальной академии наук. 102 (43): 15343–15346. Bibcode:2005ПНАС..10215343С. Дои:10.1073 / pnas.0503305102. ISSN  0027-8424. ЧВК  1250270. PMID  16219701.
  19. ^ Песня, Чанъён; Цзян, Хуайдун; Манкузо, Адриан; Амирбекян, Баграт; Пэн, Ли; Солнце, Рен; Shah, Sanket S .; Чжоу, З. Хун; Исикава, Тэцуя (07.10.2008). «Количественная визуализация единичных неокрашенных вирусов с когерентными рентгеновскими лучами». Письма с физическими проверками. 101 (15): 158101. arXiv:0806.2875. Bibcode:2008PhRvL.101o8101S. Дои:10.1103 / Physrevlett.101.158101. ISSN  0031-9007. PMID  18999646.
  20. ^ Нишино, Йошинори; Такахаши, Юкио; Имамото, Наоко; Исикава, Тэцуя; Маэшима, Кадзухиро (05.01.2009). «Трехмерная визуализация хромосомы человека с помощью когерентной дифракции рентгеновских лучей». Письма с физическими проверками. 102 (1): 018101. Bibcode:2009ПхРвЛ.102а8101Н. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.018101. ISSN  0031-9007. PMID  19257243.
  21. ^ Методы микроскопии сверхвысокого разрешения в неврологии. Fornasiero, Eugenio F .; Риццоли, Сильвио О. Нью-Йорк. ISBN  9781627039833. OCLC  878059219.CS1 maint: другие (связь)

внешняя ссылка