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显示内部纳米泡沫的花粉粒或内部清晰可见的单个几何结构的硅藻:由CFEL科学家SašaBajt和HenryChapman领导的团队使用来自DESYPETRAIII同步加速器光源的高能X射线成功地在不损坏它们的情况下对这些结构进行成像。
他们的新技术生成了干燥生物材料的高分辨率X射线图像,这些生物材料事先没有被冷冻、涂层或以其他方式改变——所有这些都对样品几乎没有损坏。这种方法也用于机场行李扫描,可以生成纳米分辨率的材料图像。
使用通过一组新型衍射透镜强烈聚焦的高能X射线,这种特殊技术允许在低于标本X射线损伤阈值1%的情况下进行成像。结果表明,这种方法是一种很有前途的工具,可用于更亮的下一代光源,例如计划中的升级项目PETRAIV,该结果已发表在《光:科学与应用》杂志上。
X射线以多种方式与生物材料相互作用,主要取决于光的能量和强度。同时,辐射损伤,例如样品的小结构变化直至完全降解,是生物样品X射线成像过程中的限制因素。
在低能量下,X射线主要被样品中的原子吸收,原子中的电子吸收能量,导致它们从原子中跳出并对样品造成损坏。因此,使用这些低能X射线的图像可以绘制出样本对辐射的吸收情况。在更高的能量下,吸收不太可能,并且会发生称为弹性散射的过程,在该过程中,X射线光子像台球一样从物质中“反弹”而没有沉积能量。
诸如晶体学或叠印术之类的技术使用了这种相互作用。尽管如此,吸收仍然会发生,这意味着无论如何都会对样品造成损害。但还有第三种相互作用:康普顿散射,X射线在目标材料中仅留下极少量的能量。康普顿散射作为一种可行的X射线显微镜方法在很大程度上被忽视了,因为它需要更高的X射线能量,而直到现在还没有合适的高分辨率镜头存在。
“我们使用了康普顿散射,我们发现,与使用这些其他方法相比,你可以检测到的每单位光子数量沉积到样品中的能量要低,”查普曼说,他是DESY的首席科学家,也是Universität的教授Hamburg,以及同步加速器和自由电子激光器的不同X射线技术的发明者。
样品中低剂量的优势对制造合适的镜片提出了挑战。高能X射线可穿过所有材料,并且几乎不会根据聚焦所需进行折射或弯曲。Bajt是CFEL的组长,他领导开发了一种新型折射透镜,称为多层劳厄透镜。这些新光学器件包含超过7300纳米薄的碳化硅和碳化钨交替层,该团队使用这些层构建了一个厚度足以有效聚焦X射线束的全息光学元件。
使用这个透镜系统和DESY的PETRAIII光束线P07,该团队通过在样品通过聚焦光束时检测康普顿散射数据,对各种生物材料进行成像。这种扫描显微镜模式需要非常明亮的光源——越亮越好——它被聚焦到一个确定图像分辨率的点上。
PETRAIII是全球同步辐射设施之一,它在高X射线能量下足够明亮,能够在合理的时间内以这种方式获取图像。该技术可以在计划中的PETRAIV设施中发挥其全部潜力。
为了测试该方法,该团队使用了蓝藻、硅藻,甚至是直接在实验室外收集的花粉粒(“非常本地化的标本”,Bajt笑着说)作为样本,每个样本的分辨率都达到了70纳米。
此外,与使用传统的相干散射成像方法在17keV的能量下从类似花粉样本获得的图像相比,康普顿X射线显微镜以低2000倍的X射线剂量实现了相似的分辨率。“当我们在实验后使用光学显微镜重新检查标本时,我们看不到光束与它们接触的任何痕迹,”她解释说——这意味着没有留下辐射损伤。
“这些结果可能会更好,”查普曼说。“理想情况下,像这样的实验会使用球形探测器,因为从样品中发出的X射线会从样品的各个方向射出。这样,它有点像粒子物理碰撞实验,你需要收集各个方向的数据。”
此外,查普曼指出,与其他细菌相比,蓝藻的图像相对没有特征。然而,数据表明,在更高的亮度下,例如计划中的PETRAIV升级,单个细胞器甚至三维结构都将变得可见——高达10nm的分辨率不会造成损坏。“真的,这项技术的唯一限制不是技术本身的性质,而是来源,即它的亮度,”Bajt说。
有了更亮的光源,该方法就可以用于对整个未切片的细胞或组织进行成像,补充低温电子显微镜和超分辨率光学显微镜,或用于跟踪细胞内的纳米粒子,例如直接观察药物输送。康普顿散射的特性使该方法也适用于非生物用途,例如检查电池充电和放电的机制。
“在文献中还没有类似这种技术的东西,”Bajt说,“所以未来还有很多值得探索的地方。”
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