Рентгеновский свет взаимодействует с биологическим материалом различными способами, в основном в зависимости от энергии и интенсивности света. В то же время радиационное повреждение, такое как небольшие структурные изменения вплоть до полной деградации образца, является ограничивающим фактором при рентгеновской визуализации биологических образцов. При низких энергиях рентгеновские лучи в первую очередь поглощаются атомами в образце, электроны которых поглощают энергию, заставляя их выскакивать из атомов и вызывать повреждение образца. Таким образом, изображения, на которых используются эти низкоэнергетические рентгеновские лучи, отображают поглощение излучения образцом. При более высоких энергиях поглощение менее вероятно, и происходит процесс, называемый упругим рассеянием, когда рентгеновские фотоны "отскакивают" от вещества подобно бильярдным шарам, не расходуя свою энергию. Такие методы, как кристаллография или птихография, используют это взаимодействие. Тем не менее, поглощение все равно может произойти, а это означает, что повреждение образца происходит в любом случае. Но есть и третье взаимодействие: комптоновское рассеяние, при котором рентгеновские лучи оставляют лишь незначительную часть своей энергии в материале мишени. Комптоновское рассеяние в значительной степени игнорировалось как жизнеспособный метод рентгеновской микроскопии, поскольку для него требуются еще более высокие энергии рентгеновского излучения там, где до сих пор не существовало подходящих линз с высоким разрешением.

"Мы использовали комптоновское рассеяние и выяснили, что количество энергии, выделяемой образцом на количество фотонов, которые вы можете обнаружить, ниже, чем при использовании этих других методов", - говорит Чепмен, ведущий научный сотрудник DESY, профессор Гамбургского университета и изобретатель различных рентгеновских методов. на синхротронах и лазерах на свободных электронах.

Преимущество низкой дозы в образце создавало проблему при изготовлении подходящих линз. Рентгеновские лучи высокой энергии проходят через все материалы и практически не преломляются и не изгибаются, что необходимо для фокусировки. Байт, который является руководителем группы в CFEL, руководил разработкой нового вида преломляющих линз, называемых многослойными линзами Лауэ. Эта новая оптика состоит из чередующихся слоев карбида кремния и карбида вольфрама толщиной более 7300 нанометров, которые команда использовала для создания голографического оптического элемента, достаточно толстого для эффективной фокусировки рентгеновского луча.

Используя эту систему линз и PETRA III beamline P07 в DESY, команда получила изображения различных биологических материалов, регистрируя данные комптоновского рассеяния при пропускании образца через сфокусированный луч. Этот режим сканирующей микроскопии требует очень яркого источника - чем ярче, тем лучше, - который фокусируется на точке, определяющей разрешение изображения. PETRA III - одна из установок синхротронного излучения во всем мире, которая обладает достаточной яркостью при высоких энергиях рентгеновского излучения, чтобы иметь возможность получать изображения таким образом за разумное время. Этот метод мог бы полностью раскрыть свой потенциал на планируемом объекте PETRA IV.

Чтобы протестировать метод, команда использовала цианобактерию, диатомовую водоросль и даже пыльцевое зерно, собранное непосредственно за пределами лаборатории ("очень местный образец", - смеется Байт) в качестве образцов и добилась разрешения в 70 нанометров для каждого.

Более того, при сравнении с изображениями, полученными из аналогичного образца пыльцы с использованием обычного метода визуализации методом когерентного рассеяния при энергии 17 кэВ, комптоновская рентгеновская микроскопия достигла аналогичного разрешения при в 2000 раз меньшей дозе рентгеновского излучения. "Когда мы повторно исследовали образцы с помощью светового микроскопа после эксперимента, мы не смогли увидеть никаких следов того, где с ними соприкасался луч", - объясняет она, что означает отсутствие радиационных повреждений.

"Эти результаты могли бы быть даже лучше", - говорит Чэпмен. "В идеале в эксперименте, подобном этому, использовался бы сферический детектор, потому что рентгеновские лучи, выходящие из образца, расходятся во всех направлениях от образца. Таким образом, это немного похоже на эксперимент по столкновению частиц в физике, где вам нужно собирать данные во всех направлениях".

Кроме того, Чепмен отметил, что изображение цианобактерий относительно невыразительно по сравнению с другими. Однако данные указывают на то, что при более высокой яркости, такой как при запланированной модернизации PETRA IV, отдельные органеллы и даже структуры в трех измерениях станут видны с разрешением до 10 нм без каких-либо повреждений. "На самом деле, единственным ограничением этой техники была не природа самой техники, а скорее источник, а именно ее яркость", - говорит Байт.

При наличии более яркого источника света этот метод затем можно было бы использовать для визуализации целых несекционированных клеток или тканей, дополняя криоэлектронную микроскопию и оптическую микроскопию со сверхвысоким разрешением, или для отслеживания наночастиц внутри клетки, например, для непосредственного наблюдения за доставкой лекарств. Характеристики комптоновского рассеяния делают этот метод идеальным и для небиологических применений, таких как изучение механики зарядки и разрядки аккумуляторных батарей.

"В литературе еще не было ничего подобного этой технике, - говорит Байт, - так что в будущем предстоит многое изучить".

В эксперименте приняли участие исследователи из DESY, CFEL, Гамбургского центра сверхбыстрой обработки изображений (CUI) Гамбургского университета и Лундского университета в Швеции.

DESY является одним из ведущих мировых центров ускорителей элементарных частиц и занимается исследованиями структуры и функций материи - от взаимодействия крошечных элементарных частиц и поведения новых наноматериалов и жизненно важных биомолекул до великих тайн Вселенной. Ускорители частиц и детекторы, которые DESY разрабатывает и строит на своих предприятиях в Гамбурге и Цойтене, являются уникальными исследовательскими инструментами. Они генерируют самое интенсивное рентгеновское излучение в мире, ускоряют частицы до рекордных энергий и открывают новые окна во Вселенную. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца, крупнейшей научной ассоциации Германии, и получает финансирование от Федерального министерства образования и научных исследований Германии (BMBF) (90%) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10%).