Nyt mikroskop-koncept kan reducere strålingsdosis tusind gange

Et koncept for et nyt røntgenmikroskop lover tredimensionelle billeder af sarte genstande som biologiske celler, der bruger tusind gange mindre skadelig stråling end konventionelle metoder. Det nye mikroskop ville gøre det muligt at afbilde hele celler i høj opløsning i deres oprindelige miljø, uden at fryse, klippe eller plette dem. DESY-forskere Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt og Henry Chapman fra Center for Free-Electron laser Science (CFEL) præsenterer deres koncept i tidsskriftet Optica . Simuleringsstudiet giver et lyst perspektiv for den planlagte opgradering af DESYs lagerring PETRA III til en næste generations røntgenkilde, PETRA IV.

Billeddannelse af strukturer af biologiske celler på nanometerskalaen kræver normalt røntgenstråler, da deres korte bølgelængder gør det muligt at løse de fine detaljer. "Imidlertid, Røntgenstråler deponerer også energi, der hurtigt beskadiger biologiske prøver, "siger Villanueva-Perez. Hvor hurtigt strålingsskader sker, afhænger af egenskaberne ved objektet, der undersøges, og energien fra de anvendte røntgenstråler, men i praksis er den begrænsende faktor for opløsning og følsomhed for nutidens røntgenbillede teknikker.

Røntgenbilleder kan dannes på forskellige måder. De velkendte røntgenbilleder af tænder eller knækkede knogler er afhængige af absorption-den tætte knogle efterlader en mørk skygge i billedet, hvor røntgenfotoner absorberes. Et røntgenmikroskop bygget til billeddannelse af celler afhænger normalt af elastisk spredning af røntgenstrålerne i prøven for at opnå billeder med meget højere opløsning. Dette svarer til, hvordan billeder dannes i et optisk mikroskop. Selvom elastisk røntgenspredning ikke overfører energi, i alle røntgenmikroskoper bygget til dato, sådanne spredningsprocesser sker meget sjældnere end faktisk absorption. "I virkeligheden, spredning kan ikke forekomme, uden at en brøkdel af fotonens energi er aflejret i prøven, forårsager strålingsskader, ”siger Villanueva-Perez.

Objekter bliver meget mindre absorberende jo mere energiske røntgenfotoner. Imidlertid, sådanne høje energier blev ikke anset for nyttige til højopløsningsmikroskopi, da den elastiske spredning også aftager, og en anden form for spredning bliver fremherskende. I denne uelastiske proces, også kendt som Compton-spredning, røntgenstrålen mister noget af sin energi til objektet, da det ricochets af et atom og i processen ændrer bølgelængde. Dette frembringer normalt uønsket baggrund uden tåge i billedet, forringelse af kvaliteten af ​​både billedet og prøven.

Teamets indsigt var, at ved meget høje røntgenfotonenergier på 64 kiloelektronvolt (keV) er der mange flere Compton-spredningsbegivenheder for en given mængde energi deponeret i cellen end for elastisk spredning ved de konventionelle lavere fotonergier, der udnyttes af nuværende teknikker. Et detaljeret billede kan derefter bygges op ved at rastre et fokuseret røntgenpunkt hen over cellen og kortlægge den samlede spredning, der er detekteret på hvert sted. Overraskende, analyse viste, at dosis kunne reduceres med en faktor 1000 for en given opløsning. "Ingen tænkte rigtigt på at prøve biologisk mikroskopi ved så høje energier, " forklarer Chapman. "Lyse nok røntgenkilder eksisterede ikke, der var ingen måde at fokusere strålen på, og der var ingen detektorer. "

Teamet har fundet løsninger på disse udfordringer. Bajts team har for nylig udviklet et innovativt objektiv fra et kunstigt flerlags "metamateriale", der leverer det mindste røntgenfokus, der endnu er opnået. "Effektiviteten af ​​vores flerlagslinser bliver faktisk meget bedre med stigende energi, og de laver endnu mindre pletter, "siger Bajt." Så de er ideelt til at bygge vores mikroskop. "

Røntgenkilden PETRA IV, i øjeblikket i planlægningsfasen, vil levere stråler med meget højere røntgenlysstyrke ved de krævede høje fotonergier end muligt i dag. Dette forlader stadig detektoren. "Den ideelle detektor bør omgive prøven, at samle alle spredte fotoner i alle retninger, "forklarer Villanueva-Perez. Dette kan bygges ved hjælp af nutidens teknologi. Når det er realiseret, disse ingredienser vil gøre det muligt for forskere at scanne hele celler og organeller ved en opløsning på få nanometer i alle tre dimensioner, i deres naturlige tilstand - opfylder et udbredt ønske fra biologer. Indtil da, forskerne planlægger at teste deres nye koncept med biologiske prøver ved nutidens bedste røntgenkilder som PETRA III med konventionelle detektorer.