Введение
Рентгеновский микроскоп использует электромагнитное излучение в мягкой полосе рентгеновских лучей для получения изображений очень маленьких объектов. В отличие от видимого света рентгеновские лучи не отражаются и не преломляются легко, а также невидимы для человеческого глаза. Поэтому основной процесс рентгеновского микроскопа заключается в том, чтобы подвергнуть воздействию пленку или использовать детектор с зарядно-сцепным устройством (CCD) для обнаружения рентгеновских лучей, проходящих через образец. Это технология контрастной визуализации, использующая разницу в поглощении мягких рентгеновских лучей в области водяного окна (область длины волны: 2,34 4,4 нм, область энергии фотонов: 280 530 эВ) атомом углерода (основной элемент, составляющий живую клетку) и атомом кислорода (основной элемент для воды).
Разработка
Ранние рентгеновские микроскопы Пола Киркпатрика и Альберта Баеза использовали рефлекторную оптику для фокусировки рентгеновских лучей, которые отражали рентгеновские лучи от параболических изогнутых зеркал под очень высоким углом падения. Альтернативный метод фокусирования рентгеновских лучей - использование крошечной плитки из зоны фреснеля из концентрических золотых или никелевых колец на подложке из диоксида кремния. Сэр Лоуренс Брэгг создал некоторые из первых полезных рентгеновских изображений с помощью своего аппарата в конце 1940-х годов. В 1950-х годах Ньюберри выпустил теневой рентгеновский микроскоп, который помещал образец между источником и целевой пластиной, это стало основой для первых коммерческих рентгеновских микроскопов от General Electric Company.
Известные мягкие рентгеновские микроскопы
Усовершенствованный источник света (ALS) в Беркли, Калифорния, является домом для XM 1 (http://www. - Да, сэр. - Я тоже. gov/BL612/), полнополевой мягкий рентгеновский микроскоп, эксплуатируемый Центром рентгеновской оптики и предназначенный для различных применений в современной нанонауке, таких как наномагнитные материалы, экологические и материальные науки и биология. XM 1 использует рентгеновскую линзу для фокусировки рентгеновских лучей на CCD, подобно оптическому микроскопу. XM 1 установил мировой рекорд по пространственному разрешению с зональными пластинами Френеля до 15 нм и способен сочетать высокое пространственное разрешение с временным разрешением до 100 п.с. для изучения, например, сверхбыстрой динамики вращения. В июле 2012 года группа DESY заявила о рекордном пространственном разрешении 10 нм, используя жесткий рентгеновский сканирующий микроскоп в PETRA III. В ALS также находится первый в мире мягкий рентгеновский микроскоп, предназначенный для биологических и биомедицинских исследований. Этот новый прибор, XM 2, был спроектирован и построен учеными из Национального центра рентгеновской томографии. XM 2 способен производить трехмерные томограммы клеток.
Столовая мягкая рентгеновская томография
В отличие от синхротронной мягкой рентгеновской томографии, лабораторная мягкая рентгеновская томография, разработанная SiriusXT, предлагает компактное и легко интегрируемое решение для исследователей в лабораторных условиях. Эти системы обычно используют источники рентгеновских лучей, управляемые лазером, при этом яркость источника зависит от типа цели и мощности лазера. Примечательно, что мягкие рентгеновские микроскопы SXT 100 представляют собой единственные коммерчески доступные варианты в этой области. Эти микроскопы позволяют получать мягкие рентгеновские томограммы из криогенно остекленных образцов, а также образцов комнатной температуры, используя плоские держатели образцов, такие как стандартные сетки электронной микроскопии (TEM) или стеклянные капилляры. Система SXT 100 отличается своей универсальностью, принимая различные форматы образцов. Например, исследователи могут получать томограммы на ТЭМ-сетках, позволяя получать серии наклонов диапазона ±60 градусов, собранные шагами в 1 градус в течение периода времени от менее одного часа до двух часов. В случае образцов, изображенных в стеклянных капиллярах, томография полного наклона может занять немного больше времени. Разрешение в биологических образцах, определяемое корреляцией кольца Фурье (1/2 соотношение сигнал-шум), может достигать 55 нм для двухчасовых томограмм, с возможностью разрешения звездных линий и пространств Siemens размером 25 нм. Эти настольные мягкие рентгеновские микроскопы повышают доступность высокорезолюционной мягкой рентгеновской томографии за пределами крупномасштабных объектов. Их интеграция в существующие коррелятивные световые и электронные микроскопические рабочие процессы преодолевает разрыв в разрешении и значительно улучшает пропускную способность изображения.
this domain. These microscopes enable the acquisition of soft X ray tomograms from cryogenically vitrified as well as room temperature samples, employing flat specimen holders such as standard transmission electron microscopy (TEM) grids or glass capillaries. The SXT 100 system stands out for its versatility, accommodating a variety of specimen formats. For instance, researchers can acquire tomograms on TEM grids, allowing for ±60 degrees range tilt series collected in 1 degree steps within a time frame ranging from under one hour to two hours. In the case of specimens imaged in glass capillaries, the full tilt tomography may take slightly longer. Resolutions in biological specimens, determined by Fourier Ring Correlations (1/2 Signal to Noise ratio), can achieve 55 nm for two hour tomograms, with the ability to resolve Siemens star lines and spaces as small as 25 nm. These table top soft X ray microscopes enhance the accessibility of high resolution soft X ray tomography beyond large scale facilities. Their integration into currently established correlative light and electron microscopy workflows bridges the resolution gap and significantly improves imaging throughput.
Характеристики и применение
Источники мягких рентгеновских лучей, подходящие для микроскопии, такие как источники синхротронного излучения, имеют довольно низкую яркость требуемых длин волн, поэтому альтернативным методом формирования изображения является сканирование передачи мягкой рентгеновской микроскопии. Здесь рентгеновские лучи фокусируются на точке, а образец механически сканируется через полученную точку фокусировки. В каждой точке передаваемые рентгеновские лучи регистрируются с помощью детектора, такого как пропорциональный счетчик или лавиновый фотодиод. Этот тип сканирующего трансмиссионного рентгеновского микроскопа (STXM) был впервые разработан исследователями из Университета Стони-Брук и использовался в Национальном синхротронном источнике света в Национальной лаборатории Брукхейвена. Разрешение рентгеновской микроскопии находится между разрешением оптического микроскопа и электронного микроскопа. Он имеет преимущество перед обычной электронной микроскопией в том, что может рассматривать биологические образцы в их естественном состоянии. Электронная микроскопия широко используется для получения изображений с разрешением на нанометровом уровне, но относительно толстая живая клетка не может быть наблюдена, поскольку образец должен быть химически зафиксирован, обезвожен, встроен в смолу, а затем нарезан на сверхтонкие кусочки. Однако следует отметить, что криоэлектронная микроскопия позволяет наблюдать биологические образцы в их гидратированном естественном состоянии, хотя и внедренные в водяной лед. До сих пор разрешение 30 нанометров было возможно с помощью линзы плоскости зоны Френеля, которая формирует изображение с помощью мягких рентгеновских лучей, испускаемых синхротроном. В последнее время все больше популярность приобретает использование мягких рентгеновских лучей, излучаемых плазмой, произведенными лазером, а не синхротронным излучением. Кроме того, рентгеновские лучи вызывают флуоресценцию в большинстве материалов, и эти выбросы могут быть проанализированы для определения химических элементов изображенного объекта. Еще одно применение - создание дифракционных моделей, процесс, используемый в рентгеновской кристаллографии. Анализируя внутренние отражения дифракционной модели (обычно с помощью компьютерной программы), трехмерную структуру кристалла можно определить до размещения отдельных атомов в его молекулах. Для этих анализов иногда используются рентгеновские микроскопы, потому что образцы слишком малы, чтобы их можно было проанализировать любым другим способом.