Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из рентгеновской микроскопии )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение, полученное с помощью рентгеновского микроскопа, живого 10-дневного растения канолы . [1]

Рентгеновский микроскоп использует электромагнитное излучение в мягком рентгеновском диапазоне 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 света , рентгеновские лучи не отражаются и не преломляются легко, и они невидимы для человеческого глаза. Следовательно, рентгеновский микроскоп экспонирует пленку или использует детектор с зарядовой связью (ПЗС) для обнаружения рентгеновских лучей, которые проходят через образец. Это технология контрастной визуализации, использующая разницу в поглощении мягких рентгеновских лучей в области водяного окна (длины волн: 2,34-4,4 нм, энергии: 280-530 эВ) атомом углерода (основной элемент, составляющий живую клетку) и атом кислорода (основной элемент для воды).

Микрофокусный рентгеновский снимок также имеет большое проекционное увеличение. 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.

Изобретение и разработка [ править ]

История рентгеновской микроскопии восходит к началу 20 века. После того, как немецкий физик Рентген в 1895 году открыл рентгеновские лучи, 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 рентгеновских лучей в большинстве сред должен быть чуть меньше 1, [3], что означает, что преломляющие оптические части будет трудно использовать для рентгеновских приложений.

Ранние рентгеновские микроскопы Пола Киркпатрика и Альберта Баэза использовали отражающую рентгеновскую оптику скользящего падения для фокусировки рентгеновских лучей, которые отражали рентгеновские лучи от параболических изогнутых зеркал под очень большим углом падения . Альтернативный метод фокусировки рентгеновских лучей заключается в использовании крошечной зонной пластинки Френеля из концентрических золотых или никелевых колец на подложке из диоксида кремния . Сэр Лоуренс Брэгг создал одни из первых пригодных для использования рентгеновских снимков с помощью своего аппарата в конце 1940-х годов.

В термоядерном синтезе с инерционным ограничением с непрямым приводом используется «хольраум», который облучается конусами лазерного луча с обеих сторон на его внутренней поверхности, чтобы омыть микрокапсулу термоядерного синтеза внутри гладкими рентгеновскими лучами высокой интенсивности. Рентгеновские лучи наивысшей энергии, которые проникают через хольраум, можно визуализировать с помощью рентгеновского микроскопа, такого как здесь, где рентгеновское излучение представлено оранжевым / красным.

В 1950-х годах Стерлинг Ньюберри выпустил теневой рентгеновский микроскоп, в котором образец помещался между источником и мишенью, что стало основой для первых коммерческих рентгеновских микроскопов компании General Electric .

После периода молчания в 1960-х годах к рентгеновской микроскопии вернули внимание людей в 1970-х. В 1972 году Хоровиц и Хауэлл построили первый рентгеновский микроскоп на основе синхротрона в Кембриджском электронном ускорителе. [4] Этот микроскоп сканировал образцы с использованием синхротронного излучения из крошечного отверстия и показал возможности как просвечивающей, так и флуоресцентной микроскопии. Другие разработки в этот период включают первую голографическую демонстрацию Садао Аоки и Сейши Кикута в Японии [5], первые TXM с использованием зонных пластин Шмалом и др. [6] и эксперименты Stony Brook 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. 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]

Инструменты [ править ]

Рентгеновская оптика [ править ]

Основная статья: рентгеновская оптика

Источники синхротронного света [ править ]

Основная статья: синхротронный источник света

Расширенный источник света [ править ]

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, сверхбыстрой спиновой динамики. В июле 2012 года группа специалистов DESY заявила о рекордном пространственном разрешении 10 нм, используя сканирующий микроскоп с жесткими рентгеновскими лучами 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 клеток.

Источник рентгеновского излучения с жидкометаллическим анодом [ править ]

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. металлический 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 [ править ]

Основная статья: детектор рентгеновского излучения

Сканирующая передача [ править ]

Источники мягкого рентгеновского излучения, подходящие для микроскопии, такие как источники синхротронного излучения, имеют довольно 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 Национальном источнике синхротронного света в Брукхейвенской национальной лаборатории .

Разрешение [ править ]

Разрешение рентгеновской микроскопии находится между разрешением оптического микроскопа и электронного микроскопа . Его преимущество перед обычной электронной микроскопией состоит в том, что с его помощью можно просматривать 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 микроскопияпозволяет наблюдать за биологическими образцами в их естественном гидратированном состоянии, хотя и погруженными в водяной лед. До сих пор разрешение 30 нанометров возможно при использовании линзы с зонной пластиной Френеля, которая формирует изображение с использованием мягкого рентгеновского излучения, испускаемого синхротроном. В последнее время все более популярным становится использование мягкого рентгеновского излучения, излучаемого лазерной плазмой, а не синхротронного излучения.

Анализ [ править ]

Кроме того, рентгеновские лучи вызывают флуоресценцию в большинстве материалов, и это излучение можно анализировать для определения химических элементов отображаемого объекта. Другое использование - создание дифракционных картин, процесс, используемый в рентгеновской кристаллографии . Анализируя внутренние отражения дифракционной картины (обычно с помощью компьютерной программы), можно определить трехмерную структуру кристалла вплоть до расположения 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 [ править ]

Одним из первых применений рентгеновской микроскопии в биологии была контактная визуализация, впервые примененная Гоби в 1913 году. В этом методе мягкие рентгеновские лучиоблучают 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 разрешающую способность контактной визуализации. Электронное повреждение эмульсий и эффекты дифракции также могут привести к появлению артефактов на окончательных изображениях. [13]

Рентгеновская микроскопия имеет свои уникальные преимущества с точки зрения наноразмерного разрешения и высокой проникающей способности, которые необходимы в биологических исследованиях. Благодаря недавнему значительному прогрессу в инструментах и ​​фокусировке, три классические формы оптики - дифракционная, [14] отражающая, [15] [16] преломляющая [17] оптика - все успешно расширились до рентгеновского диапазона и используются исследовать структуры и динамику в клеточных и субклеточных масштабах. 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 была продемонстрирована рентгеновская визуализация 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]

Квадратная бериллиевая фольга, помещенная в стальной корпус, используется в качестве окна между вакуумной камерой и рентгеновским микроскопом. Бериллий из-за своего низкого числа Z очень прозрачен для рентгеновских лучей.

См. Также [ править ]

  • Рентгеновская компьютерная томография
  • Электронный микроскоп
  • Нейтронный микроскоп

Ссылки [ править ]

  1. ^ Карунакаран, Читр; Лахлали, Рашид; Чжу, Нин; Уэбб, Адам М .; Шмидт, Марина; Франсишин, Кайл; Белев, Георгий; Высокинский, Томаш; Олсон, Джереми; Купер, Дэвид ML; 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 : 2015NatSR ... 512119K . DOI : 10.1038 / srep12119 . PMC  4648396 . PMID  26183486 .
  2. ^ Мальш, Фридрих (1939-12-01). "Erzeugung stark vergrößerter Röntgen-Schattenbilder". Naturwissenschaften (на немецком языке). 27 (51): 854–855. Bibcode : 1939NW ..... 27..854M . DOI : 10.1007 / BF01489432 . ISSN 1432-1904 . 
  3. ^ Сенн, Е. (1989), "Grundsätzliche Überlegungen цур physikalischen Diagnostik унд Терапи фон Muskelschmerzen", Verhandlungen дер Deutschen Gesellschaft für Innere Medizin , 95 , Springer Berlin Heidelberg, стр. 668-674, DOI : 10.1007 / 978-3-642 -83864-4_129 , ISBN 9783540514374
  4. ^ Горовиц, P .; Хауэлл, Дж. А. (1972-11-10). «Сканирующий рентгеновский микроскоп с использованием синхротронного излучения». Наука . 178 (4061): 608–611. Bibcode : 1972Sci ... 178..608H . DOI : 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 . DOI : 10.1143 / jjap.13.1385 . ISSN 0021-4922 . 
  6. ^ Niemann, B .; Рудольф, Д .; Шмаль, Г. (1974). «Мягкие рентгеновские зонные пластины с большим числом зон для микроскопических и спектроскопических применений». Оптика Коммуникации . 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 .; Кенни, JM; Kirz, J .; Россер Р. (1987). «Элементный анализ с использованием методов дифференциальной абсорбции». Биологические исследования микроэлементов . 13 (1): 103–113. DOI : 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 Stony Brook / NSLS", Springer Series in Optical Sciences , Springer Berlin Heidelberg, стр. 194–200, DOI : 10.1007 / 978-3-540-39246-0_35 , ISBN 9783662144909
  9. ^ а б в Кирц, Дж; Якобсен, К. (2009-09-01). «История и будущее рентгеновской микроскопии» . Журнал физики: Серия конференций . 186 (1): 012001. Bibcode : 2009JPhCS.186a2001K . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 186/1/012001 . ISSN 1742-6596 . 
  10. ^ a b 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. ^ Töpperwien, Mareike; 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 : 2017NatSR ... 742847T . DOI : 10.1038 / srep42847 . PMC 5327439 . PMID 28240235 .  
  13. ^ Ченг, Пинг-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 : 2005Natur.435.1210C . DOI : 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 . DOI : 10.1063 / 1.1928191 . ISSN 0034-6748 . 
  16. ^ Mimura, Hidekazu; 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» . Физика природы . 6 (2): 122–125. DOI : 10.1038 / nphys1457 . ISSN 1745-2473 . 
  17. ^ Schroer, CG; 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 : 2005ApPhL..87l4103S . DOI : 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 : 2005PNAS..10215343S . DOI : 10.1073 / pnas.0503305102 . ISSN 0027-8424 . PMC 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 физическим обзором . 101 (15): 158101. arXiv : 0806.2875 . Bibcode : 2008PhRvL.101o8101S . DOI : 10.1103 / physrevlett.101.158101 . ISSN 0031-9007 . PMID 18999646 .  
  20. ^ Нишино, Ёсинори; Такахаши, Юкио; Имамото, Наоко; Исикава, Тэцуя; Маэшима, Кадзухиро (05.01.2009). «Трехмерная визуализация хромосомы человека с помощью когерентной дифракции рентгеновских лучей». Письма с физическим обзором . 102 (1): 018101. Bibcode : 2009PhRvL.102a8101N . DOI : 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 ( ссылка )

Внешние ссылки [ править ]

  • Ямамото Ю., Шинохара К. (октябрь 2002 г.). «Применение рентгеновской микроскопии в анализе живых гидратированных клеток». Анат. Рек . 269 (5): 217–23. DOI : 10.1002 / ar.10166 . PMID  12379938 .
  • Камиджо Н., Сузуки Ю., Авадзи М. и др. (Май 2002 г.). «Эксперименты с жестким рентгеновским микропучком с зонной пластиной Френеля, нарезанной распылением, и ее применения» . J Synchrotron Radiat . 9 (Pt 3): 182–6. DOI : 10.1107 / S090904950200376X . PMID  11972376 .
  • Научные приложения мягкой рентгеновской микроскопии
  • Арндт Ласт. «Рентгеновская микроскопия» . Дата обращения 19 ноября 2019 .