Ett koncept för ett nytt röntgenmikroskop lovar tredimensionella bilder av känsliga föremål som biologiska celler som använder tusen gånger mindre skadlig strålning än konventionella metoder. Det nya mikroskopet skulle göra det möjligt att avbilda hela celler med hög upplösning i sin naturliga miljö, utan att frysa, klippa eller färga dem. DESY forskare Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt och Henry Chapman från Center for Free-Electron laser Science (CFEL) presenterar sitt koncept i tidskriften Optica . Simuleringsstudien ger ett ljust perspektiv för den planerade uppgraderingen av DESYs lagringsring PETRA III till en nästa generations röntgenkälla, PETRA IV.

Att avbilda strukturerna för biologiska celler på nanometerskalan kräver vanligtvis röntgenstrålar, eftersom deras korta våglängder tillåter att lösa de fina detaljerna. "Dock, Röntgen strålar också energi som snabbt skadar biologiska prover, "säger Villanueva-Perez. Hur snabbt strålskador uppstår beror på egenskaperna hos objektet som studeras och på energin hos de röntgenstrålar som används, men i praktiken är den begränsande faktorn för upplösning och känslighet för dagens röntgenbildtekniker.

Röntgenbilder kan bildas på olika sätt. De välbekanta röntgenbilderna av tänder eller brutna ben är beroende av absorption-det täta benet lämnar en mörk skugga i bilden där röntgenfotoner absorberas. Ett röntgenmikroskop byggt för bildceller beror vanligtvis på elastisk spridning av röntgenstrålarna i provet för att uppnå bilder med mycket högre upplösning. Detta liknar hur bilder bildas i ett optiskt mikroskop. Även om elastisk röntgenspridning inte överför energi, i alla röntgenmikroskop byggda hittills, sådana spridningsprocesser sker mycket mindre ofta än den faktiska absorptionen. "I verkligheten, spridning kan inte ske utan att en bråkdel av fotonens energi deponeras i provet, producerar strålskador, säger Villanueva-Perez.

Objekt blir mycket mindre absorberande ju mer energiska röntgenfotonerna är. Dock, sådana höga energier ansågs inte vara användbara för högupplöst mikroskopi eftersom den elastiska spridningen också minskar och en annan form av spridning blir dominerande. I denna oelastiska process, även känd som Compton -spridning, röntgen förlorar en del av sin energi till objektet när det ricochets av en atom och i processen ändrar våglängd. Detta ger vanligtvis oönskad bakgrund utan dimma i bilden, försämrar kvaliteten på både bilden och provet.

Teamets insikt var att vid mycket höga röntgenfotonergier på 64 kiloelektronvolt (keV) finns det många fler Compton-spridningshändelser för en given mängd energi som deponeras i cellen än för elastisk spridning vid de konventionella lägre fotonergierna som utnyttjas av nuvarande tekniker. En detaljerad bild kan sedan byggas upp genom att rastra en fokuserad röntgenpunkt över cellen och kartlägga den totala spridningen som detekteras på varje plats. Förvånande, analys visade att dosen kunde minskas med en faktor 1000 för en given upplösning. "Ingen tänkte riktigt på att testa biologisk mikroskopi vid så höga energier, "förklarar Chapman." Det fanns inte tillräckligt med röntgenkällor, det fanns inget sätt att fokusera strålen, och det fanns inga detektorer. "

Teamet har hittat lösningar på dessa utmaningar. Bajts team utvecklade nyligen ett innovativt objektiv från ett artificiellt flerskikts "metamaterial" som ger det minsta röntgenfokus som ännu uppnåtts. "Effektiviteten hos våra flerskiktslinser blir faktiskt mycket bättre med ökad energi, och de gör ännu mindre fläckar, "säger Bajt." Så de är idealiska för att bygga vårt mikroskop. "

Röntgenkällan PETRA IV, för närvarande i planeringsfasen, kommer att leverera strålar med mycket högre röntgenljusstyrka vid erforderliga höga fotonergier än vad som är möjligt idag. Detta lämnar fortfarande detektorn. "Den idealiska detektorn ska omge provet, att samla alla spridda fotoner i alla riktningar, "förklarar Villanueva-Perez. Detta kan byggas med dagens teknik. När det väl insetts, dessa ingredienser gör det möjligt för forskare att skanna hela celler och organeller med några nanometers upplösning i alla tre dimensioner, i sitt naturliga tillstånd - uppfyller en utbredd önskan från biologer. Tills dess, forskarna planerar att testa sitt nya koncept med biologiska prover vid dagens bästa röntgenkällor som PETRA III med konventionella detektorer.