O nouă limită de rezoluție a unui microscop cu raze X a fost atinsă • Yuri Erin • Stiri științifice despre "Elemente" • Fizică

S-a ajuns la o nouă rezoluție a microscopului cu raze X

Fig. 1. Reprezentarea schematică a sincrotronului ESRF. Specificațiile pot fi găsite aici, animația principiului de funcționare a sincrotronului este aici. Fig. de la www.esrf.eu

Un grup de oameni de știință de la Universitatea Tehnică din Dresda (Technische Universität Dresden, Germania) și Centrul European pentru Radiation Synchrotron (ESRF) din Grenoble (Franța) au reușit să obțină o imagine a unei particule de aur de numai 100 nanometri. Acest rezultat a fost realizat cu ajutorul tehnicii lor îmbunătățite de microscopie cu raze X, cu cea mai bună rezoluție de astăzi, de aproximativ 5 nm.

Microscopia cu raze X continuă să se îmbunătățească, apropiindu-se de rezoluția angstrom (1 Angstrom = 1 × 10-10 m, adică 0,1 nm) și deschiderea posibilităților de obținere a imaginilor obiectelor studiate la nivelul unui singur atom. Desigur, un microscop cu raze X nu este singurul mod de a studia sistemele nanometrice. Nu uitați, de asemenea, electronul de scanare (microscopul de scanare tunel), electronul de transmisie (microscopie electronică de transmisie) și microscoapele de forță atomică. Cu toate acestea, apare o întrebare naturală: de ce oamenii de știință încearcă să îmbunătățească în principal un microscop cu raze X?

Faptul este că metodele menționate mai sus vă permit să examinați numai suprafața eșantionului (microscopul de scanare), sau proba însăși trebuie să fie foarte mică, de ordinul unui nanometru gros (microscop de transmisie). Dar fluoroscopia vă permite să explorați întreaga structură tridimensională a eșantionului (și nu doar suprafața), indiferent de grosimea sa și alte caracteristici geometrice. De asemenea, este important ca radiația cu raze X să aibă o lungime de undă de 1 angstromi de ± 2 ordini de mărime și s-ar aștepta ca microscopul cu raze X să aibă rezoluția corespunzătoare. Desigur, un angstrom sună foarte promițător, dar nu totul este atât de simplu. Faptul este că, datorită aberației și aperturii numerice limitate a opticelor cu raze X, este încă posibil să se obțină imagini cu o rezoluție de doar câțiva zeci de nanometri.

Unele creșteri ale rezoluției spațiale pot fi obținute utilizând metoda de difracție a microscopiei cu raze X coerente, care nu depinde de "vagarele" opticelor cu raze X. În acest caz, o imagine a obiectului studiat este obținută prin analizarea modelelor de difracție care se formează în timpul trecerii radiației coerente prin obiect.Sunt necesare radiații coerente pentru a obține modele de difracție clare. Dar aici sunt probleme tehnice. În primul rând, aceasta este crearea de surse de radiații coerente în gama de raze X, precum și consumul de timp, din punct de vedere matematic, procesul de reconstrucție a imaginii unui obiect din modelele sale de difracție. Cu toate acestea, este dificil de depășit. De exemplu, problema unei surse coerente poate fi rezolvată cu ajutorul unui laser cu raze X. În această privință, se pun mari speranțe pe proiectul XFEL – un laser cu electroni liberi de 3,4 km lungime, a cărui lansare este programată pentru 2013. Între timp, în absența lui, folosiți surse de radiație mai puțin ambițioase. În ceea ce privește problemele de calcul asociate procesării datelor, acestea sunt în prezent rezolvate de computerele puternice. De asemenea, rețineți că există deja progrese în direcția microscopiei cu raze X coerente prin difracție. De exemplu, relativ recent, așa cum am arătat deja, o imagine a virusului a fost obținută utilizând un astfel de microscop cu raze X cu o rezoluție record de 22 nm la acel moment.

Recent, un grup de cercetători din Germania și Franța au reușit să "actualizeze" tehnologia microscopiei de difracție cu raze X și să obțină o rezoluție de aproximativ 5 nm. Ei și-au publicat rezultatele în jurnal Reviste de examinare fizică Coerentă cu difracție cu difracție de raze X cu iluminare nanofocalizată. Ce au dus autorii lucrării la metoda deja existentă a acestui tip de fluoroscopie?

Creșterea fluxului de raze X este cunoscută pentru a îmbunătăți rezoluția unui microscop. Deci, oamenii de stiinta au reusit sa se concentreze (si aceasta este realizarea lor principala) radiatii X-ray intr-un fascicul cu un diametru de 100 nm, ceea ce a facut posibila cresterea semnificativa a fluxului de radiatii la obiect. În același timp, oamenii de știință au reușit să reducă timpul de expunere a obiectului de studiu (care este important) la 10 minute.

Radiațiile coerente în această lucrare au fost create folosind sincrotronul ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) – un dispozitiv situat în Grenoble (a se vedea figura 1).

Fig. 2. (A) – o schemă de obținere a unei imagini de difracție a obiectului studiat sub acțiunea unui fascicul de radiație coerentă cu nanofocalizare; (B) – imaginea unui grup de particule de aur pe o membrană de nitrură de siliciu, obținută prin microscopie de scanare; (C) – imaginea de difracție a unei singure particule de aur (indicată printr-o săgeată din figurăb). Imagine din articol în discuțiePhys. Rev. Lett.

Am investigat particule de aur foarte mici (mai puțin de 100 nm) pe un substrat (membrană) de nitrură de siliciu cu o grosime de numai 50 nm. Fasciculul cu raze X cu nano-focalizare a trecut prin substrat cu particule de aur, creând astfel un model de difracție. Alegerea particulelor de aur ca obiect de studiu se datorează două motive: acestea au, în primul rând, o secțiune transversală relativ mare și, în al doilea rând, o rezistență ridicată la radiații. Partea fasciculului care a trecut direct prin substratul de nitrură de siliciu a fost inhibată de o supapă specială pentru a nu distorsiona modelul de difracție rezultat. Aproximativ, această parte a fluxului de raze X nu conține informații despre obiectul prin care a trecut, deoarece nu a suferit o difracție.

Fig. 3. (A) – imagini reconstituite ale particulelor de aur obținute independent de metoda HIO (a se vedea explicațiile din text); (B) – în cele din urmă imaginea "medie" (distribuția densității electronilor în interiorul) unei particule de aur. Imagine din articol în discuțiePhys. Rev.Lett.

Modelul de difracție rezultat a fost fixat de o cameră specială, care a fost amplasată la 1250 mm în spatele membranei. O imagine a difracției cu raze X a unei singure particule de aur luate de această cameră este prezentată în Fig. 2c. Aceasta a fost urmată de procedura standard: imaginea rezultată a fost utilizată pentru a reconstrui structura unei singure particule de aur prin metoda așa-numită hibrid input-output (HIO) ("Elementele" a fost deja scris despre esența ei). Rezultatele sunt prezentate în Fig. 3.

Trebuie reamintit faptul că expresiile "imagistică cu un microscop optic" și "imagistică cu ajutorul unui microscop cu raze X" au un înțeles diferit. Când vine vorba de microscopia cu raze X, atunci prin "imagine" trebuie înțeleasă distribuția densității electronice în interiorul obiectului studiat.

De asemenea, este necesar să se clarifice faptul că avansarea în rezoluția spațială a microscopiei cu raze X este asociată cu mari dificultăți tehnice, deoarece o creștere a rezoluției cu un ordin de mărime trebuie să fie însoțită de o creștere a dozei de radiație de aproximativ 104 timp.

Cu toate acestea, metoda de difracție cu raze X coerente are un viitor promițător. De exemplu, programul de cercetare al ESRF menționat anterior pentru perioada 2008-2017. prevede îmbunătățirea și utilizarea activă a acestei metode, care nu este distructivă pentru obiectele studiate și vă permite să aflați structura detaliată a oricărei singure micro sau nanostructuri: puncte cuantice, particule în convertoare catalitice, celule biologice etc.

Sursa lui: C. G. Schroer, P. Boye, J. M. Feldkamp, ​​J. Patommel, A. Schropp, A. Schwab, S. Stephan, M. Burghammer, S. Schöder, C. Riekel. Coherent cu difracție cu difracție cu difracție cu iluminare // Reviste de examinare fizică, 101, 090801 (2008).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: