Войти
Рентгеновское микроскопическое изображение живого 10-дневного растения канола. Рентгеновский микроскоп использует электромагнитное излучение в мягком рентгеновском диапазоне для получения увеличенных изображений объектов. Поскольку рентгеновские лучи проникают в большинство объектов, нет необходимости специально подготавливать их для рентгеновских микроскопических наблюдений.
В отличие от видимого света, рентгеновские лучи не отражаются или преломляются легко, и они невидимы для человеческого глаза. Следовательно, рентгеновский микроскоп экспонирует пленку или использует детектор устройства с зарядовой связью (CCD) 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 живая клетка) и атом кислорода (основной элемент для воды).
Микрофокусный рентгеновский снимок также обеспечивает большое увеличение за счет проецирования. 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.
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. В 1918 году Эйнштейн указал, что показатель преломления для рентгеновских лучей в большинстве сред должен быть чуть меньше 1, что означает, что преломляющие оптические части будет трудно использовать для рентгеновских приложений.
Ранние рентгеновские микроскопы Пола Киркпатрика и Альберта Баэза использовали скользящее падение отражающую рентгеновскую оптику для фокусировать рентгеновские лучи, которые задевают рентгеновские лучи от параболических изогнутых зеркал при очень большом угле 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 произвел одни из первых пригодных для использования рентгеновских изображений с помощью своего аппарата в конце 1940-х годов.
Лазер с непрямым возбуждением с инерционным ограничением термоядерного синтеза использует «хольраум», который облучается конусами лазерного луча с обеих сторон на его внутренней поверхности, чтобы омыть термоядерную микрокапсулу 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 произвел Теневой рентгеновский микроскоп, в котором образец помещался между источником и мишенью, стал основой для первых коммерческих рентгеновских микроскопов от General Electric Company.
После периода молчания в 1960-х годах X- Лучевая микроскопия снова привлекла внимание людей в 1970-х годах. В 1972 году Горовиц и Хауэлл построили первый рентгеновский микроскоп на основе синхротрона в Кембриджском электронном ускорителе. 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 в Японии и в Японии, первые TXM с использованием зонных пластин Шмалом и др. И эксперименты Стони Брука в STXM.
Использование источников синхротронного света открыло новые возможности для X -лучевая микроскопия в 1980-е гг. Однако по мере того, как новые микроскопы на основе синхротронных источников создавались многими группами, люди осознавали, что проводить такие эксперименты было сложно из-за недостаточных технологических возможностей в то время, таких как плохое когерентное освещение, некачественные рентгеновские оптические элементы и пользователь - недружественные источники света.
Вступление в 1990-е гг. новые инструменты и новые источники света во многом способствовали 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 миниатюризировано, чтобы исследователи могли проводить эксперименты в своих собственных лабораториях.
Источники рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой интенсивностью 9,25 кэВ для рентгеновской фазово-контрастной микроскопии из фокального пятна размером примерно 10 мкм x 10 гм, может быть получен с помощью несинхротронного источника рентгеновского излучения, в котором используется сфокусированный электронный пучок и жидкометаллический анод. Это было продемонстрировано в 2003 году, а в 2017 году было использовано для визуализации мозга мыши с размером вокселя около одного кубического микрометра (см. Ниже).
Поскольку количество приложений продолжает расти, рентгеновская микроскопия стала рутиной., проверенный метод, используемый в науках об окружающей среде и почве, гео- и космохимии, полимерных науках, 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.
Усовершенствованный источник света (ALS) в Беркли, Калифорния, является домом для XM-1, полнопольного микроскопа мягкого рентгеновского излучения, управляемого Центром рентгеновской оптики и предназначенного для различных приложений в современной нанонауке, таких как как наномагнитные материалы, экология, материаловедение и биология. XM-1 использует рентгеновскую линзу для фокусировки рентгеновских лучей на ПЗС-матрице аналогично оптическому микроскопу. 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, сверхбыстрая спиновая динамика. В июле 2012 года группа из DESY заявила о рекордном пространственном разрешении в 10 нм, используя сканирующий жесткий рентгеновский микроскоп в PETRA III.
ALS также является домом для всего мира. первый мягкий рентгеновский микроскоп, предназначенный для биологических и биомедицинских исследований. Этот новый прибор XM-2 был разработан и построен учеными из Национального центра рентгеновской томографии. XM-2 способен производить трехмерные томограммы клеток.
Источники рентгеновского излучения с чрезвычайно высокой интенсивностью 9,25 кэВ (линия K-альфа галлия) для рентгеновской фазово-контрастной микроскопии из фокусного пятна около 10 мкм x 10 мкм, может быть получен с помощью источника рентгеновского излучения, в котором используется анод из жидкого металла галинстан. Это было продемонстрировано в 2003 году. Металл течет из сопла вниз с высокой скоростью, и на него фокусируется источник электронов высокой интенсивности. 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 трехмерного изображения мозга мыши с размером вокселя около одного кубического микрометра.
Источники мягкого рентгеновского излучения подходящие для микроскопии 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 рентгеновской микроскопии находится между разрешением оптического микроскопа и электронного микроскопа. Он имеет преимущество перед обычной электронной микроскопией в том, что он позволяет рассматривать 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 микроскопия позволяет наблюдать биологические образцы в их естественном гидратированном состоянии, хотя и погруженные в водяной лед. До сих пор разрешение 30 нанометров возможно при использовании линзы с зонной пластиной Френеля, которая формирует изображение с помощью мягкого рентгеновского излучения, испускаемого синхротроном. В последнее время все более популярным становится использование мягкого рентгеновского излучения, излучаемого лазерной плазмой, а не синхротронного излучения.
Кроме того, рентгеновские лучи вызывают флуоресценцию в большинстве материалов, и эти выбросы могут быть проанализированы для определения химических элементов на изображении. объект. 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.
Одним из первых применений рентгеновской микроскопии в биологии была контактная визуализация, впервые примененная в 1913 году. В этой технике мягкие рентгеновские лучи облучают образец и выставить под ним чувствительные к рентгеновскому излучению эмульсии. 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 наноструктур 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 конечных изображениях.
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, отражающая и преломляющая - все успешно расширились до рентгеновского диапазона и были использованы для исследования структур и динамики в клеточных и субклеточных Весы. В 2005 году Шапиро и др. сообщили о клеточной визуализации дрожжей с разрешением 30 нм с использованием когерентной мягкой рентгеновской дифракционной микроскопии. В 2008 году было продемонстрировано рентгеновское изображение неокрашенного вируса. Годом позже дифракция рентгеновских лучей была применена для визуализации трехмерной структуры неокрашенной хромосомы человека. 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.
Рентгеновская микроскопия давно обеспокоена радиационным повреждением, поскольку высокоэнергетические рентгеновские лучи 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.
Квадратная бериллиевая фольга, помещенная в стальной корпус, которая используется в качестве окна между вакуумной камерой и рентгеновским микроскопом. Бериллий из-за своего низкого числа Z очень прозрачен для рентгеновских лучей.  | Викискладе есть материалы, связанные с рентгеновской микроскопией. |
