用X射线成像的生物标本无损伤
显示内部纳米泡沫的花粉粒或内部清晰可见的单个几何结构的硅藻：由 CFEL 科学家 Saša Bajt 和 Henry Chapman 领导的团队使用来自 DESY PETRA III 同步加速器光源的高能 X 射线成功地在不损坏它们的情况下对这些结构进行成像。他们的新技术生成了干燥生物材料的高分辨率 X 射线图像，这些生物材料事先没有被冷冻、涂层或以其他方式改变——所有这些都对样品几乎没有损坏。这种方法也用于机场行李扫描，可以生成纳米分辨率的材料图像。使用通过一组新型衍射透镜强烈聚焦的高能 X 射线，这种特殊技术允许在低于标本 X 射线损伤阈值 1% 的情况下进行成像。 光：科学与应用。
X 射线以多种方式与生物材料相互作用，主要取决于光的能量和强度。同时，辐射损伤，例如样品的小结构变化直至完全降解，是生物样品 X 射线成像过程中的限制因素。在低能量下，X 射线主要被样品中的原子吸收，原子中的电子吸收能量，导致它们从原子中跳出并对样品造成损坏。因此，使用这些低能 X 射线的图像可以绘制出样本对辐射的吸收情况。在更高的能量下，吸收不太可能发生，并且会发生称为弹性散射的过程，其中 X 射线光子像台球一样从物质中“反弹”而没有沉积能量。诸如晶体学或叠印术之类的技术使用了这种相互作用。尽管如此，吸收仍然会发生，这意味着无论如何都会对样品造成损害。但还有第三种相互作用：康普顿散射，X 射线在目标材料中仅留下极少量的能量。康普顿散射作为一种可行的 X 射线显微镜方法在很大程度上被忽视了，因为它需要更高的 X 射线能量，而直到现在还没有合适的高分辨率镜头存在。
“我们使用了康普顿散射，我们发现，与使用这些其他方法相比，你可以检测到的每单位光子数量沉积到样品中的能量要低，”查普曼说，他是 DESY 的首席科学家，也是 Universität 的教授Hamburg，以及同步加速器和自由电子激光器的不同 X 射线技术的发明者。
样品中低剂量的优势对制造合适的镜片提出了挑战。高能 X 射线可穿过所有材料，并且几乎不会根据聚焦所需进行折射或弯曲。Bajt 是 CFEL 的组长，他领导开发了一种新型折射透镜，称为多层劳厄透镜。这些新光学器件包含超过 7300 纳米薄的碳化硅和碳化钨交替层，该团队使用这些层构建了一个足够厚以有效聚焦 X 射线束的全息光学元件。
使用这个透镜系统和 DESY 的 PETRA III 光束线 P07，该团队通过在样品通过聚焦光束时检测康普顿散射数据，对各种生物材料进行成像。这种扫描显微镜模式需要非常明亮的光源——越亮越好——它被聚焦到一个确定图像分辨率的点上。PETRA III 是全球同步辐射设施之一，它在高 X 射线能量下足够明亮，能够在合理的时间内以这种方式获取图像。该技术可以在计划中的 PETRA IV 设施中发挥其全部潜力。
为了测试该方法，该团队使用了一种蓝藻、一种硅藻，甚至是直接在实验室外收集的花粉粒(“非常本地化的标本”，Bajt 笑着说)作为他们的样本，每个样本的分辨率都达到了 70 纳米。
此外，与使用传统的相干散射成像方法在 17 keV 的能量下从类似花粉样本获得的图像相比，康普顿 X 射线显微镜以低 2000 倍的 X 射线剂量实现了相似的分辨率。“当我们在实验后使用光学显微镜重新检查标本时，我们看不到光束与它们接触的任何痕迹，”她解释说——这意味着没有留下辐射损伤。
“这些结果可能会更好，”查普曼说。“理想情况下，像这样的实验会使用球形探测器，因为从样品中发出的 X 射线会从样品的各个方向传播。那样的话，有点像粒子物理的碰撞实验，需要收集各个方向的数据。”
此外，查普曼指出，与其他细菌相比，蓝藻的图像相对没有特征。然而，数据表明，在更高的亮度下，例如计划中的 PETRA IV 升级，单个细胞器甚至三维结构都将变得可见——分辨率高达 10 nm，而不会造成损坏。“真的，这项技术的唯一限制不是技术本身的性质，而是来源，即它的亮度，”Bajt 说。
有了更亮的光源，该方法就可以用于对整个未切片的细胞或组织进行成像，补充低温电子显微镜和超分辨率光学显微镜，或用于跟踪细胞内的纳米粒子，例如直接观察药物输送。康普顿散射的特性使该方法也适用于非生物用途，例如检查电池充电和放电的机制。
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