Кіріспе

Рентген сәулелерін пайдаланатын микроскоптың түрі. Рентген микроскопы нысандардың ұлғайтылған бейнесін алу үшін рентген сәулелері диапазонындағы электромагниттік сәулелерді қолданады. Рентген сәулелері көптеген заттардан өтетіндіктен, оларды рентгендік микроскопиялық зерттеулерге арнайы дайындау қажет емес. Көзге көрінетін жарықтан өзгеше, рентген сәулелері шағылыспайды және сындырылмайды, сондай-ақ адам көзімен көрінбейді. Сондықтан рентген микроскопы пленканы қолданады немесе зарядты байланыстырылған құрылғы (CCD) детекторды пайдаланып, үлгі арқылы өтетін рентген сәулелерін анықтайды. Бұл – су терезесі аймағындағы (толқын ұзындығы: 2,34–4,4 нм, энергиясы: 280–530 эВ) жұмсақ рентген сәулелерін көміртек атомы (тірі жасушаны құрайтын негізгі элемент) және оттегі атомы (судың құрамындағы элемент) сіңірудегі айырмашылықты пайдаланатын контрастты бейнелеу технологиясы. Микрофокус рентген сәулелері проекция арқылы жоғары ұлғайтуға мүмкіндік береді. Микрофокус рентген түтігі өте кішкентай фокустық нүктеден (5 мкм-ден 0,1 мкм-ге дейін) рентген сәулелерін шығарады. Рентген сәулелері дәстүрлі рентгендік диапазонда (20-300 кэВ) болады және қайта фокусталанбайды.

Өнертабыс және даму

Рентгендік микроскопияның тарихы 20-шы ғасырдың басына дейін жетеді. 1895 жылы неміс физигі Рентген рентген сәулелерін ашқаннан кейін ғалымдар бір затты рентгендік нүктелік көзді пайдаланып жарықтандырып, бірнеше микрометрлік ажыратымдылықпен оның көлеңкелік бейнесін түсірді. 1918 жылы Эйнштейн көптеген орталарда рентген сәулелерінің сыну көрсеткіші 1-ден сәл ғана жоғары болатынын көрсетті, бұл рентгендік қолданыстар үшін сыну оптикалық бөліктерін пайдалану қиын екенін білдіреді. Пол Киркпатрик пен Альберт Баездің алғашқы рентгендік микроскоптары рентген сәулелерін шоғырландыру үшін жарық шағылысатын рентгендік оптиканы қолданды, ол рентген сәулелерін өте жоғары бұрышта параболалық қисық айналардан шоғырландырды. Рентген сәулелерін шоғырландырудың тағы бір әдісі – кремний диоксиді негізіндегі концентрлі алтын немесе никель сақиналарынан тұратын кішкентай Френель аймақтық пластинасын пайдалану. Сэр Лоуренс Брэгг 1940-жылдардың соңында өзінің құралымен алғашқы пайдалы рентгендік бейнелерді жасады. 1950-жылдары Стерлинг Ньюберри көлеңкелік рентгендік микроскопты жасады, ол сынаманы көз бен нысаналық пластинаның арасына орналастырды, бұл General Electric компаниясының алғашқы коммерциялық рентгендік микроскоптарының негізі болды. 1960-жылдардағы үнсіздікке дейін рентгендік микроскопия 1970-жылдары қызығушылықты қайта жаңартты. 1972 жылы Хоровиц пен Хауэлл Кембридж электрондық үдеткішінде алғашқы синхротронға негізделген рентгендік микроскопты құрды. Бұл микроскоп кішкентай тесіктен синхротрон сәулесін пайдаланып сынамаларды сканерледі және тарату және флуоресценциялық микроскопияның мүмкіндіктерін көрсетті. Осы кезеңдегі басқа да жетістіктерге Жапониядағы Садао Аоки мен Сейши Кикутаның алғашқы голографиялық демонстрациясы, Шмаль және басқалар жасаған аймақтық пластиналарды пайдаланатын алғашқы TXM және STXM-дегі Стони Бруктың тәжірибелері кірді. 1980-жылдары синхротрон сәулелену көздерін пайдалану рентгендік микроскопияға жаңа мүмкіндіктер әкелді. Алайда, көптеген топтарда синхротронға негізделген жаңа микроскоптар құрылғаннан кейін, адамдар сол кездегі жеткіліксіз технологиялық мүмкіндіктерге байланысты, мысалы, нашар когерентті жарықтандыру, нашар сапалы рентгендік оптикалық элементтер және пайдаланушыға ыңғайсыз жарық көздері сияқты тәжірибелер жүргізудің қиын екенін түсінді. 1990-жылдарға қадам басқанда, жаңа құралдар мен жаңа жарық көздері рентгендік микроскопияның жақсаруына үлкен серпіліс берді. Томография, крио және крио-томография сияқты микроскопиялық әдістер сәтті көрсетілді. Жылдам дамумен рентгендік микроскопия топырақ ғылымы, геохимия, полимер ғылымы және магнетизм салаларында жаңа қолданыстар тапты. Аппараттар да кішірейтілді, соның арқасында зерттеушілер өз зертханаларында тәжірибелер жүргізе алды. Қолданыстардың артуымен рентгендік микроскопия қоршаған орта және топырақ ғылымдарында, гео және космохимияда, полимер ғылымдарында, биологияда, магнетизмде және материалтануда қолданылатын әдеттегі, дәлелденген әдіске айналды. Бұл салаларда рентгендік микроскопияға деген сұраныстың өсуімен синхротронға, сұйық металл анодына және басқа зертханалық жарық көздеріне негізделген микроскоптар әлемнің түкпір-түкпірінде құрылуда. Рентгендік оптика және оның компоненттері де қарқынды коммерцияландырылуда. ALS сонымен қатар биологиялық және биомедициналық зерттеулерге арналған әлемдегі алғашқы жұмсақ рентгендік микроскопына ие. Бұл жаңа құралды XM 2 Ұлттық рентгендік томография орталығының ғалымдары жобалап және құрастырды. XM 2 жасушалардың үш өлшемді томограммаларын жасауға қабілетті.

Сұйық металл анодты рентген сәуле көзі

Рентгендік фазалық контраст микроскопиясы үшін 9,25 кэВ рентген сәулелерінің (галлий K-альфа сызығы) өте жоғары интенсивтіліктері, шамамен 10 мкм x 10 мкм фокустық дақтан, сұйық металл галинстан анодын қолданатын рентген сәуле көзі арқылы алынуы мүмкін. Бұл 2003 жылы көрсетілді.

Сканерлеуді тарату

Микроскопияға жарамды жұмсақ рентген сәулелерінің көздері, мысалы синхротрон сәулелену көздері, қажетті толқын ұзындығындағы жарқырауы төмен болғандықтан, сурет түсірудің балама әдісі – сканерлеу трансмиссиялық жұмсақ рентген микроскопиясы. Бұл әдісте рентген сәулелері бір нүктеге шоғырландырылады, ал үлгі механикалық түрде осы шоғырланған нүкте арқылы сканерленеді. Әрбір нүктеде өткен рентген сәулелері пропорционалдық санауыш немесе лавиналық фотодиод сияқты детектормен тіркеледі. Осындай сканерлеу трансмиссиялық рентген микроскопын (STXM) алғаш рет Стони Брук университетінің ғалымдары жасады және ол Брукхейвен ұлттық зертханасындағы Ұлттық синхротрон жарық көзінде қолданылды.

Қаулы

Рентгендік микроскопияның ажыратымдылығы оптикалық микроскоп пен электрондық микроскоптың арасында жатыр. Оның дәстүрлі электрондық микроскопиядан артықшылығы – биологиялық үлгілерді өздерінің табиғи күйінде қарау мүмкіндігін береді. Электрондық микроскопия нанометрлік және аңғардан да төменгі деңгейдегі бейнелер алу үшін кеңінен қолданылады, бірақ салыстырмалы түрде қалың тірі жасушаны байқау мүмкін емес, себебі үлгіні химиялық тұрғыдан бекіту, құрғату, шайырға сіңдіру және содан соң өте жұқа тілімдерге бөлу қажет. Дегенмен, криоэлектрондық микроскопия биологиялық үлгілерді гидратацияланған, табиғи күйінде, тіпті су мұзына енген жағдайда да бақылауға мүмкіндік береді. Бүгінгі күнге дейін синхротроннан шығатын жұмсақ рентген сәулелерін пайдаланып, бейнені қалыптастыратын Френель аймақтық пластинасының линзасын қолдану арқылы 30 нанометрлік ажыратымдылыққа қол жеткізуге болады. Соңғы кезде синхротрон сәулеленуінің орнына лазерлік плазмадан шығатын жұмсақ рентген сәулелерін пайдалану жиілеуде.

Талдау

Сонымен қатар, рентген сәулелері көптеген материалдарда люминесценцияны тудырады, және осы шығарылымдарды талдау арқылы бейнеленген нысанның химиялық элементтерін анықтауға болады. Тағы бір қолданылуы – дифракциялық суреттерді жасау, бұл рентгендік кристаллографияда қолданылатын процесс. Дифракциялық суреттердің ішкі шағылыстарын талдау (әдетте компьютерлік бағдарлама арқылы) кристаллдың үш өлшемді құрылымын, оның молекулаларындағы жеке атомдардың орналасуына дейін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл талдаулар үшін рентгендік микроскоптар кейде қолданылады, себебі үлгілер басқа тәсілдермен талдауға тым кішкентай болады.

Биологиялық қолдану

Рентгендік микроскопияның биологиядағы алғашқы қолданылуларының бірі – 1913 жылы Гоби бастамасымен жасалған тікелей түсіру әдісі болды. Бұл техникада жұмсақ рентген сәулелері үлгіні сәулелендіріп, оның астындағы рентгенге сезімтал эмульсияларды әсер етеді. Содан кейін, үлгінің рентген сәулесін өткізбеу картасына сәйкес келетін эмульсиялардың томографиялық кескіндері жарық немесе электронды микроскоп арқылы тіркеледі. Рентгендік тікелей түсірудің электронды микроскопияға қарағанда ерекше артықшылығы – ылғалды биологиялық материалдарды бейнелеу мүмкіндігі. Осының арқасында өсімдіктердің, жәндіктердің және адам жасушаларының микро және нано деңгейдегі құрылымдарын зерттеуге қолданылды. Дегенмен, эмульсияның деформациясы, нашар жарықтандыру жағдайлары және эмульсияны қарастырудың төмен ажыратымдылығы сияқты бірнеше факторлар тікелей түсірудің ажыратымдылығын шектейді. Эмульсияның электрондық зақымдануы және дифракциялық эффектілер түпкілікті кескіндерде артефакттарға алып келуі мүмкін. Рентгендік микроскопия нанодеңгейдегі ажыратымдылық және жоғары тегілу қабілеті тұрғысынан бірегей артықшылықтарға ие, бұл екеуі де биологиялық зерттеулерде қажет. Жаңа құралдар мен фокустау технологияларындағы соңғы жетістіктермен оптиканың үш классикалық түрі – дифракциялық, рефлективтік және рефракциялық оптика – рентген диапазонына сәтті еніп, жасушалық және жасуша ішіндегі масштабтағы құрылымдар мен динамиканы зерттеу үшін қолданылды. 2005 жылы Шапиро және әріптестері когерентті жұмсақ рентгендік дифракциялық микроскопияны қолдану арқылы 30 нм ажыратымдылықпен ашытқы жасушаларының кескінін алды. 2008 жылы боялмаған вирустың рентгендік кескіні жасалды. Бір жылдан кейін рентгендік дифракция адам хромосомасының үш өлшемді құрылымын бейнелеу үшін қолданылды. Осылайша, рентгендік микроскопия классикалық жарық микроскоптарының дифракциялық шектерін айналып өтуге қабілетті екенін көрсетті; алайда, ажыратымдылықты одан әрі арттыру детектор пиксельдерімен, оптикалық құралдармен және сәуле көзінің өлшемімен шектеледі. Рентгендік микроскопиядағы ұзақ жылдар бойы мазалап жүрген басты мәселе – сәулеленудің зияны, себебі жоғары энергиялы рентген сәулелері күшті радикалдарды тудырады және ылғалды үлгілерде зиянды реакцияларды қозғауы мүмкін. Осы себепті, биологиялық үлгілер көбінесе жоғары қуатты рентген сәулелерімен сәулелендіру алдында бекітіледі немесе тоңдырылып кептіріледі. Сулы құрылымдарды сақтап қалу үшін жылдам криотерапиялық өңдеу де жиі қолданылады.