Физики БФУ им. И. Канта предложили новые решения для рентгеновской фазово-контрастной микроскопии по аналогии оптического микроскопа Цернике

12 Февраля 2018
Ученые лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения БФУ им. И. Канта совместно с ведущими специалистами Европейского центра синхротронных исследований (ESRF, Гренобль, Франция) и Норвежского технологического университета (NTNU, Тронхейм, Норвегия) предложили новый подход в реализации высокоразрешающего рентгеновского микроскопа по типу Цернике на основе преломляющих линз для жесткого рентгеновского излучения. Результаты исследований и подробное описание фазово-контрастного рентгеновского микроскопа опубликованы в двух статьях в журнале “Ultramicroscopy”.

Несмотря на то, что c момента открытия рентгеновских лучей прошло более 100 лет, этот вид излучения до сих пор приковывает внимание ученых всего мира. Уже первая экспериментальная демонстрация В. Рентгеном визуализации внутренней структуры кисти своей жены с использованием Х-лучей произвела фурор в 1895 году. Благодаря малой длине волны (~1A) и высокой проникающей способности рентгеновское излучение получило широкое распространение в первую очередь в медицине, позволив перевести процесс диагностики множества различных заболеваний на принципиально новый уровень. Практически сразу после открытия рентгеновских лучей стало понятно, что длина волны короче в 10000 раз длины волны света должна позволить получать изображения с разрешением в 10000 раз выше, чем в оптическом микроскопе. Однако по после многочисленных опытов сам Рентген сделал вывод, что рентгеновские лучи невозможно преломить, а значит, и невозможно изготовить рентгеновскую линзу и рентгеновский микроскоп.

Появление новых мощных источников когерентного рентгеновского излучения – синхротронных центров, стало толчком для развития оптики и появления преломляющих линз для фокусировки рентгеновских лучей.  Это открывает новые возможности по исследованию внутренней структуры различных объектов в их естественной среде без использования вакуума и специальных методов подготовки, в отличии от оптической и электронной микроскопии. Однако высокая проникающая способность рентгеновского излучения существенно затрудняет проведение исследований биологических объектов, в связи со слабым поглощением, что делает такие объекты практически «невидимыми» для рентгеновских лучей.

Поэтому во всем мире на современных источниках синхротронного излучения решается задача развития методов, основанных не на амплитудном контрасте за счёт поглощения, а на фазовом контрасте, возникающем в результате интерференции когерентный лучей прошедших сквозь образец.

Безымянный.png
Безымянный1.png


Как отмечают физики БФУ им.И.Канта, впервые задача исследования «прозрачных» биологических клеток в оптическом микроскопе была решена в 1930 Фрицем Цернике, за что он получил Нобелевскую премию. Однако из-за специфичного взаимодействия рентгеновских лучей с веществом, такой подход трудно применим. Для реализации подобного методу Цернике микроскопа научной группой были созданы специальные фазосдвигающие оптические элементы – перфорированные линзы. Разработанный оптический элемент представляет собой модифицированную рентгеновскую преломляющую линзу со специальным отверстием в центральной части, диаметром менее 20 мкм. Модификация линзы была выполнена с использованием современного высокоточного подхода - ионно-лучевой литографии. Принцип работы такой линзы основан на эффекте изменения фазы части волнового фронта при прохождении через объектив микроскопа для формимрования интерференции. Такой подход позволяет получать высококонтрастные изображения малых образцов размерами менее 100 нм на источниках синхротронного излучения, что ранее было затруднено.

Кроме того, научной группой была продемонстрирована возможность использования Цернике микроскопа на синхротронных исследовательских станциях с широким спектром излучения. «Использование немонохроматизированного рентгеновского излучения существенно сокращает время для детектирования изображения исследуемого объекта», - отмечают авторы изобретения. Новый рентгеновский микроскоп обладает не только высоким пространственным разрешением, но и позволяет исследовать процессы, происходящие внутри биологических объектов в режиме реального времени без их разрушения (например, рост и развитие клеток, а также исследование сверхбыстрых эволюционных процессов).

Иван Лятун, научный сотрудник лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения БФУ им. И. Канта:
«Хорошее техническое оснащение лаборатории и имеющийся опыт работы на современных рентгеновских источниках позволили нам успешно реализовать рентгеновскую микроскопию по аналогии с оптическим подходом Цернике на синхротронном источнике ESRF. Благодаря наличию двухлучевой FIB-SEM системы Zeiss Crossbeam 540 все необходимые для проведения эксперимента специальные оптические элементы с требуемыми характеристиками были разработаны и изготовлены непосредственно в нашей лаборатории».

Анатолий Снигирев, руководитель лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения БФУ им. И. Канта:

«Фазово-контрастный микроскоп на основе преломляющих линз – это еще один наш шаг в направлении развития когерентных рентгеновских методов исследования. Сегодня рентгеновский микроскоп является очень востребованным инструментом на многих исследовательских станциях, он существенно упрощает проведение синхротронных экспериментов, и кроме того расширяет спектр возможных объектов исследования. Используя микроскоп в жестком синхротронном излучении можно проводить исследование живых клеток на нанометровом уровне с минимальным “стрессом” для исследуемых объектов. Уверен, что данный подход будет очень востребованным для активно развивающихся биомедицинских приложений, а также позволит использовать весь потенциал современных источников рентгеновского излучения!»
Снигирев


Источники рентгеновского излучения для наблюдения сверхбыстрых процессов, протекающих в биологических объектах и твердом теле на микро- и нано-уровне, в том числе и при экстремальных условиях,сегодня активно во всем мире развиваются и строятся новые. И один из таких источников - синхротронный источник четвертого поколения должен совсем скоро появиться в России.

ВКонтакт Facebook Twitter Mail.Ru

  Возврат к списку