Rentgenový mikroskop - X-ray microscope

Rentgenový mikroskopický obraz žijícího 10denního dítěte řepka rostlina.[1]

An Rentgenový mikroskop používá elektromagnetická radiace v měkkém rentgen pásmo k vytváření zvětšených obrazů objektů. Protože rentgenové paprsky pronikají do většiny objektů, není nutné je speciálně připravovat na pozorování rentgenovou mikroskopií.

Na rozdíl od viditelného světlo „Rentgenové paprsky neodrážejí ani se lámou snadno a jsou pro lidské oko neviditelné. Rentgenový mikroskop proto vystavuje film nebo používá a nabíjené zařízení (CCD) detektor pro detekci rentgenových paprsků, které procházejí vzorkem. Jedná se o kontrastní zobrazovací technologii využívající rozdíl v absorpci měkkých rentgenových paprsků v vodní okno oblast (vlnové délky: 2,34-4,4 nm, energie: 280-530 eV) atomem uhlíku (hlavní prvek tvořící živou buňku) a atomem kyslíku (hlavní prvek pro vodu).

Rentgenový mikroskop také dosahuje vysokého zvětšení projekcí. Mikroostrovací rentgenová trubice produkuje rentgenové paprsky z extrémně malého ohniska (5 μm až 0,1 μm). Rentgenové paprsky jsou v konvenčnějším rentgenovém rozsahu (20 až 300 kV) a nejsou znovu zaostřeny.

Vynález a vývoj

Historie rentgenové mikroskopie sahá až do počátku 20. století. Po německém fyzikovi Röntgen objevili rentgenové paprsky v roce 1895, vědci brzy osvětlili objekt pomocí rentgenového bodového zdroje a zachytili stínové obrazy objektu s rozlišením několika mikronů.[2] V roce 1918 Einstein poukázal na to, že index lomu pro rentgenové záření ve většině médií by mělo být jen o něco méně než 1,[3] což znamená, že refrakční optické části by bylo obtížné použít pro rentgenové aplikace.

Brzy rentgenové mikroskopy od Paul Kirkpatrick a Albert Baez použitý výskyt pastvy reflexní Rentgenová optika zaostřit rentgenové paprsky, které pásly rentgenové paprsky parabolický zakřivená zrcadla na velmi vysoké úrovni úhel dopadu. Alternativní metodou zaostření rentgenových paprsků je použití maličkosti Fresnel zónová deska soustředných zlatých nebo niklových prstenů na a oxid křemičitý Podklad. Vážený pane Lawrence Bragg vyrobil některé z prvních použitelných rentgenových snímků pomocí svého přístroje koncem 40. let.

Nepřímý laserový pohon fúze setrvačné izolace používá „hohlraum“, které je ozářeno kužely laserového paprsku z obou stran na svém vnitřním povrchu, aby vykoupalo fúzní mikrokapsli uvnitř hladkými rentgenovými paprsky vysoké intenzity. Rentgenové paprsky s nejvyšší energií, které pronikají do hohlraum, lze vizualizovat pomocí rentgenového mikroskopu, jako je zde, kde je rentgenové záření znázorněno oranžově / červeně.

V padesátých letech Sterling Newberry vyrobil stínový rentgenový mikroskop, který umístil vzorek mezi zdroj a cílovou destičku, to se stalo základem pro první komerční rentgenové mikroskopy z General Electric Company.

Po tichém období v 60. letech si rentgenová mikroskopie znovu získala pozornost lidí v 70. letech. V roce 1972 Horowitz a Howell postavili první rentgenový mikroskop na bázi synchrotronu na Cambridge Electron Accelerator.[4] Tento mikroskop skenoval vzorky pomocí synchrotronového záření z malé dírky a ukázal schopnosti transmisní i fluorescenční mikroskopie. Další vývoj v tomto období zahrnuje první holografickou demonstraci od Sadao Aoki a Seishi Kikuta v Japonsku,[5] první TXM využívající zónové desky Schmahl et al.,[6] a experimenty Stonyho Brooka v STXM.[7][8]

Použití synchrotronových světelných zdrojů přineslo v 80. letech nové možnosti pro rentgenovou mikroskopii. Jelikož však byly v mnoha skupinách vytvářeny nové mikroskopy založené na zdrojích synchrotronů, lidé si uvědomili, že je obtížné provádět takové experimenty kvůli nedostatečným technologickým schopnostem v té době, jako je špatné koherentní osvětlení, nekvalitní rentgenové optické prvky a uživatel - nepřátelské světelné zdroje.[9]

Do 90. let 20. století nové přístroje a nové zdroje světla značně podporovaly zdokonalování rentgenové mikroskopie. Byly úspěšně demonstrovány metody mikroskopie včetně tomografie, kryo a kryo tomografie. Díky rychlému vývoji našla rentgenová mikroskopie nové aplikace v půdní vědě, geochemii, polymerních vědách a magnetismu. Hardware byl také miniaturizován, aby vědci mohli provádět experimenty ve svých vlastních laboratořích.[9]

Zdroje extrémně vysoké intenzity rentgenových paprsků 9,25 keV pro rentgenovou fázovou kontrastní mikroskopii, z ohniska přibližně 10 um x 10 um, lze získat s nesynchrotronovým rentgenovým zdrojem, který používá zaostřený elektronový paprsek a tekutá kovová anoda. To bylo prokázáno v roce 2003 a v roce 2017 bylo použito k zobrazení myšího mozku ve velikosti voxelů přibližně jeden kubický mikrometr (viz níže).[10]

S pokračujícím růstem aplikací se rentgenová mikroskopie stala rutinní osvědčenou technikou používanou v environmentálních a půdních vědách, geochemické a kosmochemii, polymerních vědách, biologii, magnetismu a materiálových vědách. S touto rostoucí poptávkou po rentgenové mikroskopii v těchto oblastech se po celém světě budují mikroskopy založené na synchrotronu, tekuté kovové anodě a dalších laboratorních světelných zdrojích. Rovněž se rychle komercializuje rentgenová optika a komponenty.[9]

Instrumentace

Rentgenová optika

Hlavní článek: Rentgenová optika

Synchrotronové světelné zdroje

Hlavní článek: Synchrotronový světelný zdroj

Pokročilý světelný zdroj

Advanced Light Source (ALS) v Berkeley v Kalifornii je domovem XM-1, měkkého rentgenového mikroskopu s plným polem provozovaného Centrem pro rentgenovou optiku a věnovaného různým aplikacím v moderní nanovědách, jako jsou nanomagnetické materiály , environmentální a materiálové vědy a biologie. XM-1 používá rentgenovou čočku k zaostření rentgenových paprsků na CCD, podobně jako u optického mikroskopu. XM-1 držel světový rekord v prostorovém rozlišení s Fresnelovými zónovými deskami až do 15 nm a je schopen kombinovat vysoké prostorové rozlišení s časovým rozlišením pod 100 psů ke studiu např. ultrarychlá dynamika otáčení. V červenci 2012 skupina na adrese DESY požadoval rekordní prostorové rozlišení 10 nm pomocí tvrdého rentgenového skenovacího mikroskopu na PETRA III.[11]

ALS je také domovem prvního měkkého rentgenového mikroskopu na světě určeného pro biologický a biomedicínský výzkum. Tento nový přístroj XM-2 byl navržen a vyroben vědci z Národního centra pro rentgenovou tomografii. XM-2 je schopen produkovat 3-dimenzionální tomogramy buněk.

Zdroj rentgenového záření z anody z tekutého kovu

Zdroje extrémně vysoké intenzity rentgenových paprsků 9,25 keV (linie K-alfa galia) pro rentgenovou fázovou kontrastní mikroskopii, z ohniska přibližně 10 um x 10 um, lze získat rentgenovým zdrojem, který používá kapalinu kov galinstan anoda. To bylo prokázáno v roce 2003.[10] Kov proudí z trysky dolů vysokou rychlostí a je na něj zaměřen zdroj elektronů s vysokou intenzitou. Rychlý tok kovu nese proud, ale fyzický tok brání velkému zahřívání anody (v důsledku odvodu tepla s nuceným konvekcí) a vysoký bod varu galinstanu inhibuje odpařování anody. Tato technika byla použita k zobrazení myšího mozku ve třech rozměrech při velikosti voxelů přibližně jednoho kubického mikrometru.[12]

Detekční zařízení

Hlavní článek: Rentgenový detektor

Skenování přenosu

Zdroje měkkých rentgenových paprsků vhodných pro mikroskopii, jako např synchrotron zdroje záření mají poměrně nízkou jasnost požadovaných vlnových délek, takže alternativní metodou formování obrazu je skenování přenosové měkké rentgenové mikroskopie. Zde jsou rentgenové paprsky zaostřeny do určitého bodu a vzorek je mechanicky skenován skrz vytvořené ohnisko. V každém bodě se přenášené rentgenové paprsky zaznamenávají pomocí detektoru, jako je a proporcionální počítadlo nebo lavinová fotodioda. Tento typ rentgenového mikroskopu se skenovacím přenosem (STXM) byl poprvé vyvinut vědci na univerzitě Stony Brook a byl zaměstnán na Národní synchrotronový světelný zdroj na Brookhaven National Laboratory.

Rozlišení

Rozlišení rentgenové mikroskopie leží mezi rozlišením optického mikroskopu a elektronový mikroskop. Oproti konvenční elektronové mikroskopii má výhodu v tom, že dokáže prohlížet biologické vzorky v jejich přirozeném stavu. Elektronová mikroskopie je široce používána k získávání obrazů s rozlišením nanometrů na sub-angstromové rozlišení, ale relativně tlustou živou buňku nelze pozorovat, protože vzorek musí být chemicky fixován, dehydratován, vložen do pryskyřice a poté nakrájen na ultratenkou vrstvu. Je však třeba zmínit, že kryo-elektronová mikroskopie umožňuje pozorování biologických vzorků v jejich hydratovaném přirozeném stavu, i když zalitých do vodního ledu. Dosud je možné rozlišení 30 nanometrů pomocí Fresnelovy zónové deskové čočky, která vytváří obraz pomocí měkkých rentgenových paprsků vyzařovaných ze synchrotronu. V poslední době je stále populárnější použití měkkých rentgenových paprsků emitovaných z laserem produkovaných plazmatů než synchrotronového záření.

Analýza

Navíc způsobují rentgenové paprsky fluorescence ve většině materiálů a tyto emise lze analyzovat a určit chemické prvky zobrazeného objektu. Další použití je generování difrakce vzory, proces používaný v Rentgenová krystalografie. Analýzou vnitřních odrazů difrakčního obrazce (obvykle pomocí počítačového programu) získá trojrozměrná struktura krystal lze určit až do umístění jednotlivých atomů v jeho molekulách. Pro tyto analýzy se někdy používají rentgenové mikroskopy, protože vzorky jsou příliš malé na to, aby mohly být analyzovány jiným způsobem.

Biologické aplikace

Jednou z prvních aplikací rentgenové mikroskopie v biologii bylo kontaktní zobrazování, jehož průkopníkem byl Jít kolem v roce 1913. V této technice měkké rentgenové záření ozářit vzorek a vystavit rentgenově citlivé emulze pod ním. Poté se pomocí světelného mikroskopu nebo elektronového mikroskopu zaznamenají zvětšené tomografické obrazy emulzí, které odpovídají rentgenovým mapám opacity vzorku. Jedinečnou výhodou, kterou rentgenové kontaktní zobrazování nabízí nad elektronovou mikroskopií, byla schopnost zobrazovat vlhké biologické materiály. Proto byla použita ke studiu mikroskopických a nanoměřítkových struktur rostlin, hmyzu a lidských buněk. Rozlišení kontaktního zobrazování však omezuje několik faktorů, včetně zkreslení emulze, špatných světelných podmínek a nízkého rozlišení způsobů zkoumání emulzí. Poškození emulzí elektrony a difrakční efekty mohou také vést k artefaktům v konečných obrazech.[13]

Rentgenová mikroskopie má své jedinečné výhody, pokud jde o rozlišení v nanoměřítku a vysokou penetrační schopnost, které jsou obě potřebné v biologických studiích. S nedávným významným pokrokem v oblasti nástrojů a zaostřování byly tři klasické formy optiky - difrakční,[14] reflexní,[15][16] refrakční[17] optika - všechny se úspěšně rozšířily do rozsahu rentgenových paprsků a byly použity k vyšetřování struktur a dynamiky v buněčném a subcelulárním měřítku. V roce 2005 Shapiro et al. uvádějí buněčné zobrazování kvasinek při rozlišení 30 nm za použití koherentní měkké rentgenové difrakční mikroskopie.[18] V roce 2008 bylo prokázáno rentgenové zobrazování nepoškozeného viru.[19] O rok později byla rentgenová difrakce dále použita k vizualizaci trojrozměrné struktury nepoškozeného lidského chromozomu.[20] Rentgenová mikroskopie tak prokázala svou velkou schopnost obejít difrakční limit klasických světelných mikroskopů; další vylepšení rozlišení je však omezeno pixely detektoru, optickými přístroji a velikostí zdroje.

Dlouhodobým hlavním zájmem rentgenové mikroskopie je radiační poškození, protože rentgenové paprsky s vysokou energií produkují silné radikály a vyvolávají škodlivé reakce ve vlhkých vzorcích. Výsledkem je, že biologické vzorky jsou obvykle fixovány nebo lyofilizovány před ozářením vysoce výkonnými rentgenovými paprsky. Pro zachování neporušených hydratovaných struktur se běžně používají také rychlé kryoterapie.[21]

Čtverec berylium fólie namontovaná v ocelovém pouzdru, která slouží jako okno mezi vakuovou komorou a rentgenovým mikroskopem. Berylium je díky svému nízkému počtu Z vysoce rentgenové záření transparentní.

Viz také

Reference

  1. ^ Karunakaran, Chithra; Lahlali, Rachid; Zhu, Ning; Webb, Adam M .; Schmidt, Marina; Fransishyn, Kyle; Belev, George; Wysokinski, Tomasz; Olson, Jeremy; Cooper, David M. L .; Hallin, Emil (2015). „Faktory ovlivňující vnitřní strukturální vizualizaci v reálném čase a dynamické monitorování procesů v rostlinách pomocí rentgenového zobrazování fázového kontrastu na bázi synchrotronu“. Vědecké zprávy. 5: 12119. Bibcode:2015NatSR ... 512119K. doi:10.1038 / srep12119. PMC  4648396. PMID  26183486.
  2. ^ Malsch, Friedrich (01.12.1939). „Erzeugung stark vergrößerter Röntgen-Schattenbilder“. Naturwissenschaften (v němčině). 27 (51): 854–855. Bibcode:1939NW ..... 27..854M. doi: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, 95Springer Berlin Heidelberg, str. 668–674, doi:10.1007/978-3-642-83864-4_129, ISBN  9783540514374
  4. ^ Horowitz, P .; Howell, J. A. (10.11.1972). "Skenovací rentgenový mikroskop využívající synchrotronové záření". Věda. 178 (4061): 608–611. Bibcode:1972Sci ... 178..608H. doi:10.1126 / science.178.4061.608. ISSN  0036-8075. PMID  5086391.
  5. ^ Aoki, Sadao; Kikuta, Seishi (1974). „Rentgenová holografická mikroskopie“. Japonský žurnál aplikované fyziky. 13 (9): 1385–1392. Bibcode:1974JaJAP..13.1385A. doi:10.1143 / jjap.13.1385. ISSN  0021-4922.
  6. ^ Niemann, B .; Rudolph, D .; Schmahl, G. (1974). „Měkké rentgenové zobrazovací zónové desky s velkým počtem zón pro mikroskopické a spektroskopické aplikace“. Optická komunikace. 12 (2): 160–163. Bibcode:1974OptCo..12..160N. doi:10.1016/0030-4018(74)90381-2. ISSN  0030-4018.
  7. ^ Rarback, H .; Cinotti, F .; Jacobsen, C .; Kenney, J. M .; Kirz, J .; Rosser, R. (1987). Msgstr "Elementární analýza pomocí diferenciálních absorpčních technik". Výzkum biologických stopových prvků. 13 (1): 103–113. doi:10.1007 / bf02796625. ISSN  0163-4984. PMID  24254669.
  8. ^ Rarback, H .; Shu, D .; Feng, Su Cheng; Ade, H .; Jacobsen, C .; Kirz, J .; McNulty, I .; Vladimirsky, Y .; Kern, D. (1988), "Skenovací mikroskop Stony Brook / NSLS", Springerova řada v optických vědáchSpringer Berlin Heidelberg, str. 194–200, doi:10.1007/978-3-540-39246-0_35, ISBN  9783662144909
  9. ^ A b C Kirz, J; Jacobsen, C (01.09.2009). „Historie a budoucnost rentgenové mikroskopie“. Journal of Physics: Conference Series. 186 (1): 012001. Bibcode:2009JPhCS.186a2001K. doi:10.1088/1742-6596/186/1/012001. ISSN  1742-6596.
  10. ^ A b Zdroj rentgenového záření s dopadem elektronu na kapalný kov a paprskem. O. Hemberg, M. Otendal a H. M. Hertz. Appl. Phys. Lett. 83, 1483 (2003); [1]
  11. ^ Koherentní rentgenová skenovací mikroskopie na PETRA III dosáhla rozlišení 10 nm (červen 2012). Hasylab.desy.de. Citováno 2015-12-14.
  12. ^ Töpperwien, Mareike; Krenkel, Martin; Vincenz, Daniel; Stöber, Franziska; Oelschlegel, Anja M .; Goldschmidt, Jürgen; Salditt, Tim (2017). „Trojrozměrná cytoarchitektura mozkového mozku odhalena laboratorní rentgenovou fázovou kontrastní tomografií“. Vědecké zprávy. 7: 42847. Bibcode:2017NatSR ... 742847T. doi:10.1038 / srep42847. PMC  5327439. PMID  28240235.
  13. ^ Cheng, Ping-chin. (1987). Rentgenová mikroskopie: Přístrojové a biologické aplikace. Jan, Gwo-jen. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN  9783642728815. OCLC  851741568.
  14. ^ Chao, Weilun; Harteneck, Bruce D .; Liddle, J. Alexander; Anderson, Erik H .; Attwood, David T. (2005). „Měkká rentgenová mikroskopie v prostorovém rozlišení lepším než 15 nm“. Příroda. 435 (7046): 1210–1213. Bibcode:2005 Natur.435.1210C. doi:10.1038 / nature03719. ISSN  0028-0836. PMID  15988520.
  15. ^ Hignette, O .; Cloetens, P .; Rostaing, G .; Bernard, P .; Morawe, C. (červen 2005). "Efektivní zaostření tvrdých rentgenových paprsků pod 100 nm". Recenze vědeckých přístrojů. 76 (6): 063709–063709–5. Bibcode:2005RScI ... 76f3709H. doi:10.1063/1.1928191. ISSN  0034-6748.
  16. ^ Mimura, Hidekazu; Handa, Soichiro; Kimura, Takashi; Yumoto, Hirokatsu; Yamakawa, Daisuke; Yokoyama, Hikaru; Matsuyama, Satoshi; Inagaki, Kouji; Yamamura, Kazuya (2009-11-22). „Prolomení 10 nm bariéry při tvrdém rentgenovém zaostřování“. Fyzika přírody. 6 (2): 122–125. doi:10.1038 / nphys1457. ISSN  1745-2473.
  17. ^ Schroer, C. G .; Kurapova, O .; Patommel, J .; Boye, P .; Feldkamp, ​​J .; Lengeler, B .; Burghammer, M .; Riekel, C .; Vincze, L. (2005-09-19). "Tvrdá rentgenová nanoprobe na základě refrakčních rentgenových čoček". Aplikovaná fyzikální písmena. 87 (12): 124103. Bibcode:2005ApPhL..87l4103S. doi:10.1063/1.2053350. ISSN  0003-6951.
  18. ^ Shapiro, D .; Thibault, P .; Beetz, T .; Elser, V .; Howells, M .; Jacobsen, C .; Kirz, J .; Lima, E .; Miao, H. (10. 10. 2005). „Biologické zobrazování pomocí měkké rentgenové difrakční mikroskopie“. Sborník Národní akademie věd. 102 (43): 15343–15346. Bibcode:2005PNAS..10215343S. doi:10.1073 / pnas.0503305102. ISSN  0027-8424. PMC  1250270. PMID  16219701.
  19. ^ Song, Changyong; Jiang, Huaidong; Mancuso, Adrian; Amirbekian, Bagrat; Peng, Li; Sun, Ren; Shah, Sanket S .; Zhou, Z. Hong; Ishikawa, Tetsuya (10.10.2008). "Kvantitativní zobrazování jednotlivých, nepoškozených virů s koherentními paprsky X". Dopisy o fyzické kontrole. 101 (15): 158101. arXiv:0806.2875. Bibcode:2008PhRvL.101o8101S. doi:10.1103 / physrevlett.101.158101. ISSN  0031-9007. PMID  18999646.
  20. ^ Nishino, Yoshinori; Takahashi, Yukio; Imamoto, Naoko; Ishikawa, Tetsuya; Maeshima, Kazuhiro (01.01.2009). „Trojrozměrná vizualizace lidského chromozomu pomocí koherentní rentgenové difrakce“. Dopisy o fyzické kontrole. 102 (1): 018101. Bibcode:2009PhRvL.102a8101N. doi:10.1103 / physrevlett.102.018101. ISSN  0031-9007. PMID  19257243.
  21. ^ Mikroskopické techniky s vysokým rozlišením v neurovědě. Fornasiero, Eugenio F .; Rizzoli, Silvio O. New York. ISBN  9781627039833. OCLC  878059219.CS1 maint: ostatní (odkaz)

externí odkazy