Met röntgenmicroscopen, onderzoekers van PSI kijken in computerchips, katalysatoren, kleine stukjes bot, of hersenweefsel. De korte golflengte van de röntgenstralen maakt details zichtbaar die een miljoen keer kleiner zijn dan een zandkorrel:structuren in het nanometerbereik (miljoensten van een millimeter). Net als bij een normale microscoop, een lens wordt gebruikt om het door het monster verstrooide licht te verzamelen en vormt een vergroot beeld op de camera. kleine structuren, echter, verstrooid licht onder zeer grote hoeken. Om een ​​hoge resolutie in het beeld te krijgen, een overeenkomstig grote lens nodig is. "Het blijft een enorme uitdaging om zulke grote lenzen te produceren, " zegt PSI-fysicus Klaus Wakonig:"Als je met zichtbaar licht werkt, er zijn lenzen die zeer grote verstrooiingshoeken kunnen vastleggen. Met röntgenfoto's, echter, dit is gecompliceerder vanwege de zwakke interactie met het materiaal van de lens. Als gevolg hiervan, meestal kunnen alleen zeer kleine hoeken worden vastgelegd, of de lenzen zijn nogal inefficiënt."

De nieuwe methode ontwikkeld door Wakonig en zijn collega's omzeilt dit probleem. "Het uiteindelijke beeld is alsof we met een grote lens hebben gemeten, " legt de onderzoeker uit. Het PSI-team gebruikt een kleine maar efficiënte lens, zoals gewoonlijk wordt toegepast in röntgenmicroscopie, en verschuift het over een gebied dat een ideale lens zou bestrijken. Hierdoor ontstaat vrijwel een grote lens. "In praktijk, we gaan met de lens naar verschillende punten en maken op elke plaats een foto, " legt Wakonig uit. "Vervolgens gebruiken we computeralgoritmen om alle foto's te combineren om één afbeelding met hoge resolutie te genereren."

Van zichtbaar licht tot röntgenstraling

Normaal gesproken, onderzoekers vermijden het verplaatsen van lenzen in instrumenten weg van de optische as, aangezien dit beeldvervormingen kan veroorzaken. Echter, aangezien de wetenschappers in dit geval de exacte positie van de lens kennen en veel nabijgelegen punten verlichten, ze kunnen reconstrueren hoe het licht werd verstrooid en hoe het monster eruit zag. De methode, bekend als Fourier ptychografie, wordt sinds 2013 gebruikt voor microscopie in het zichtbare gebied. In hun experimenten bij PSI, de onderzoekers konden dit principe voor het eerst toepassen op röntgenmicroscopie. "Voor zover ons bekend is er tot nu toe geen succesvolle implementatie van X-ray Fourier ptychografie gemeld, " schrijven de onderzoekers in wetenschappelijke vooruitgang .

De nieuwe methode levert niet alleen een hogere resolutie, maar ook twee complementaire soorten beeldinformatie. Ten eerste, er is de meting van hoeveel licht wordt geabsorbeerd door het af te beelden object, net als bij elke normale camera. Maar bovendien, ook de manier waarop het licht wordt gebroken wordt vastgelegd. Experts spreken van absorptiecontrast en fasecontrast. "Onze methode biedt het fasecontrast, die anders moeilijk te verkrijgen is, praktisch gratis, " zegt Ana Diaz, beamline scientist bij PSI:"Hierdoor wordt de kwaliteit van de beelden veel beter." Het fasecontrast maakt het zelfs mogelijk om conclusies te trekken over de materiaaleigenschappen van het onderzochte monster, wat meestal niet mogelijk is met normale beeldvormingstechnieken.

Bijzonder interessant voor biologische monsters

In hun experimenten, het monster dat de onderzoekers onderzochten, was een detectorchip. In de toekomst, de nieuwe methode zou kunnen worden gebruikt om te onthullen, bijvoorbeeld, hoe een katalysator werkt wanneer een gas wordt toegevoegd, of wanneer en hoe metaal breekt onder druk.

Maar ook weefsels en celaggregaten zouden met deze methode beter kunnen worden onderzocht. De onderzoekers hopen dat dit nieuwe inzichten oplevert in het ontstaan ​​van ziekten als Alzheimer of hepatitis. Diaz legt de voordelen van de nieuwe methode uit:"Biologische monsters hebben normaal gesproken geen goed absorptiecontrast. Hier zorgt het fasecontrast voor een aanzienlijk verbeterde beeldkwaliteit." In aanvulling, de onderzoekers vermoeden dat Fourier-ptiekografie zachter is dan eerdere methoden. "Een vergelijking met normale röntgenmicroscopie geeft aan dat de nieuwe methode een lagere stralingsdosis vereist, omdat het efficiënter is", zegt Wakonig. "Dit zou met name interessant kunnen zijn voor studies van biologische monsters."

De onderzoekers zetten hun demonstratieapparatuur op bij de cSAXS beamline van de Swiss Light Source SLS. "Momenteel, de experimenten zijn nog vrij complex en vergen veel tijd, " zegt Diaz. Om de nieuwe methode te laten werken, de gebruikte röntgenstralen moeten in een soort unisono zijn:zoals onderzoekers het uitdrukken, ze moeten coherent zijn. Dergelijke experimenten vereisen momenteel grootschalige onderzoeksfaciliteiten zoals SLS. Maar Wakonig onderzoekt ook of de methode met minder samenhang gerealiseerd kan worden. Als de techniek zou kunnen worden gebruikt om monsters te onderzoeken bij gebruikelijke röntgenbronnen in het laboratorium, veel extra toepassingsgebieden zouden opengaan.