具有极低X射线剂量的高分辨率X射线显微镜

由DESY 的 X 射线成像先驱领导的团队成功地以极低的 X 射线剂量生成了生物结构的高分辨率图像。他们的新技术通过获取未冷冻、涂层或以其他方式改变的干燥生物材料的高分辨率 X 射线图像来证明——所有这些都对样本几乎没有损坏。该程序使用一种常用于机场行李扫描的 X 射线相互作用，以生成纳米分辨率的材料图像。使用通过一组新型 X 射线衍射透镜强烈聚焦的高能 X 射线，该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。该实验涉及自由电子激光科学中心、德国电子同步加速器中心的研究人员，

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。在低能量下，X 射线主要被样品中的原子吸收，原子发生电离，对样品造成大范围的损坏。因此，使用这些低能 X 射线的图像可以绘制出样本吸收情况。在更高的能量下，吸收的可能性较小，材料变得更透明。在这种情况下，称为弹性散射的过程可用于形成图像，其中 X 射线光子像台球一样从物质上“反弹”，而不会沉积任何能量。诸如晶体学或叠层印刷术之类的技术利用了这一过程。尽管如此，吸收事件仍然会发生，这意味着无论如何都会对样品造成损害。但是还有第三种相互作用：康普顿散射，X 射线仅将一小部分能量留在目标材料中。作为 X 射线显微镜的一种可行方法，这一直被忽略，因为这种相互作用只会在更高的 X 射线能量下变得占主导地位，而以前不存在高分辨率镜头。

使用高能 X 射线在样品中的低剂量优势对制造透镜提出了挑战：此类 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。为了解决这个问题，开发了一种称为多层劳厄透镜的新型衍射透镜。首先逐层制造纳米厚的碳化硅和碳化钨交替层的结构，然后将其用于构建厚度足以有效聚焦光束的全息光学元件。

在 DESY 的 PETRA III 同步加速器光源上使用这个透镜系统和 P07 光束线，该团队通过在样品通过聚焦光束光栅化时检测康普顿散射来对各种生物材料成像。这种扫描显微镜模式需要一个非常明亮的光源，它被聚焦到一个确定图像分辨率的点上。PETRA III 是为数不多的同步辐射设施之一，它在高 X 射线能量下足够亮，能够在合理的时间内以这种方式获取图像。

该团队使用蓝藻、硅藻，甚至直接在实验室外收集的花粉粒作为样本，分辨率达到 70 纳米。与使用传统相干散射成像方法在 17 keV X 射线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 倍的剂量实现了类似的分辨率。

研究结果表明，该方法可用于在辐射损伤成为问题之前获得分辨率更精细的 10 nm 图像。同步辐射设施的未来升级，例如 DESY 的 PETRA IV 设施，将提供实现这一目标所需的亮度。然后，该方法可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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