Een concept voor een nieuwe röntgenmicroscoop belooft driedimensionale beelden van delicate objecten zoals biologische cellen die duizend keer minder schadelijke straling gebruiken dan conventionele methoden. De nieuwe microscoop zou het mogelijk maken om hele cellen met een hoge resolutie in hun oorspronkelijke omgeving af te beelden, zonder te bevriezen, ze te snijden of te kleuren. DESY-wetenschappers Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt en Henry Chapman van het Center for Free-Electron laser Science (CFEL) presenteren hun concept in het tijdschrift optiek . De simulatiestudie levert een helder perspectief op voor de geplande upgrade van DESY's opslagring PETRA III naar een röntgenbron van de volgende generatie, PETRA IV.

Voor het afbeelden van de structuren van biologische cellen op nanometerschaal zijn meestal röntgenstralen nodig, omdat hun korte golflengten het mogelijk maken om de fijne details op te lossen. "Echter, Röntgenstralen zetten ook energie af die biologische monsters snel beschadigt, " zegt Villanueva-Perez. Hoe snel stralingsschade optreedt, hangt af van de kenmerken van het object dat wordt bestudeerd en van de energie van de gebruikte röntgenstralen, maar in de praktijk is dit de beperkende factor voor resolutie en gevoeligheid van de huidige röntgenbeeldvormingstechnieken.

Röntgenbeelden kunnen op verschillende manieren worden gevormd. De bekende röntgenfoto's van tanden of gebroken botten zijn afhankelijk van absorptie - het dichte bot laat een donkere schaduw achter in het beeld waar röntgenfotonen worden geabsorbeerd. Een röntgenmicroscoop die is gebouwd voor het afbeelden van cellen, is meestal afhankelijk van elastische verstrooiing van de röntgenstralen in het monster om beelden met een veel hogere resolutie te verkrijgen. Dit is vergelijkbaar met hoe afbeeldingen worden gevormd in een optische microscoop. Hoewel elastische röntgenverstrooiing geen energie overdraagt, in alle tot nu toe gebouwde röntgenmicroscopen, dergelijke verstrooiingsprocessen komen veel minder vaak voor dan daadwerkelijke absorptie. "In werkelijkheid, verstrooiing kan niet plaatsvinden zonder dat een fractie van de energie van het foton in het monster wordt afgezet, stralingsschade veroorzaken, ", zegt Villanueva-Perez.

Objecten absorberen veel minder naarmate de röntgenfotonen energieker zijn. Echter, dergelijke hoge energieën werden niet als nuttig beschouwd voor microscopie met hoge resolutie, omdat de elastische verstrooiing ook afneemt en een andere vorm van verstrooiing de overhand krijgt. In dit inelastische proces ook bekend als Compton-verstrooiing, de röntgenstraal verliest een deel van zijn energie aan het object terwijl het van een atoom afketst en daarbij van golflengte verandert. Dit veroorzaakt meestal een ongewenste, onopvallende achtergrond of waas in het beeld, verslechtering van de kwaliteit van zowel het beeld als het monster.

Het inzicht van het team was dat bij zeer hoge röntgenfotonenergieën van 64 kiloelektronvolt (keV) er veel meer Compton-verstrooiingsgebeurtenissen zijn voor een bepaalde hoeveelheid energie die in de cel wordt afgezet dan voor elastische verstrooiing bij de conventionele lagere fotonenergieën die worden benut door huidige technieken. Een gedetailleerd beeld kan vervolgens worden opgebouwd door een gefocusseerde röntgenvlek over de cel te rasteren en de totale verstrooiing die op elke locatie is gedetecteerd in kaart te brengen. Verrassend genoeg, analyse toonde aan dat de dosis voor een bepaalde resolutie met een factor 1000 kon worden verlaagd. "Niemand dacht er echt aan om biologische microscopie te proberen bij zulke hoge energieën, " legt Chapman uit. "Helder genoeg röntgenbronnen bestonden niet, er was geen manier om de straal te focussen, en er waren geen detectoren."

Het team heeft oplossingen gevonden voor deze uitdagingen. Het team van Bajt heeft onlangs een innovatieve lens ontwikkeld van een kunstmatig meerlagig "metamateriaal" dat de kleinste röntgenfocus tot nu toe levert. "De efficiëntie van onze meerlaagse lenzen wordt zelfs veel beter met toenemende energie, en ze maken nog kleinere vlekken, "zegt Bajt. "Ze zijn dus bij uitstek geschikt voor het bouwen van onze microscoop."

De röntgenbron PETRA IV, momenteel in de planningsfase, zal bundels met een veel hogere röntgenhelderheid afgeven bij de vereiste hoge fotonenergieën dan tegenwoordig mogelijk is. Dit verlaat nog steeds de detector. "De ideale detector zou het monster moeten omringen, om alle verstrooide fotonen in alle richtingen te verzamelen, " legt Villanueva-Perez uit. Dit kan worden gebouwd met behulp van de technologie van vandaag. Eenmaal gerealiseerd, met deze ingrediënten kunnen wetenschappers hele cellen en organellen scannen met een resolutie van enkele nanometers in alle drie de dimensies, in hun natuurlijke staat – het vervullen van een wijdverbreide wens van biologen. Tot dan, de wetenschappers zijn van plan hun nieuwe concept te testen met biologische monsters bij de beste röntgenbronnen van vandaag, zoals PETRA III, met conventionele detectoren.