Had resolusi baru mikroskop sinar-X telah dicapai • Yuri Erin • Berita sains mengenai "Unsur-unsur" • Fizik

Resolusi mikroskop x-ray baru dicapai

Rajah. 1. Perwakilan skematis dari synchrotron ESRF. Spesifikasi boleh didapati di sini, animasi prinsip operasi synchrotron ada di sini. Rajah. dari www.esrf.eu

Sekumpulan saintis dari Universiti Teknikal Dresden (Technische Universität Dresden, Jerman) dan Pusat Penyelarasan Synchrotron Eropah (ESRF) di Grenoble (Perancis) berjaya mendapatkan imej zarah emas dengan saiz hanya 100 nanometer. Hasil ini dicapai dengan bantuan teknik mikroskopi X-ray yang lebih baik dengan resolusi terbaik hari ini, kira-kira 5 nm.

Mikroskopi sinar-X terus bertambah baik, menghampiri resolusi angstrom (1 Angstrom = 1 × 10-10 m, yaitu 0.1 nm) dan membuka peluang untuk mendapatkan imej objek yang sedang dikaji pada tahap atom tunggal. Sudah tentu, mikroskop sinar-x bukan satu-satunya cara untuk mengkaji sistem nano. Jangan lupa juga mengenai pengimbasan elektron (Pengimbasan mikroskop terowong), elektron penghantaran (Mikroskopi elektron penghantaran) dan mikroskop berkuasa atom. Walau bagaimanapun, persoalan semulajadi timbul: kenapa para saintis berusaha untuk meningkatkan terutamanya mikroskop x-ray?

Hakikatnya, kaedah yang disebutkan di atas membolehkan anda hanya memeriksa permukaan sampel (mikroskop pengimbasan), atau sampel itu sendiri mesti sangat kecil, berdasarkan susunan nanometer tebal (mikroskop penghantaran). Tetapi fluoroskopi membolehkan anda meneroka struktur tiga dimensi keseluruhan sampel (dan bukan hanya permukaannya), tanpa mengira ketebalannya dan ciri-ciri geometri lain. Ia juga penting bahawa radiasi sinar-x mempunyai panjang gelombang 1 angstroms ± 2 pesanan magnitud, dan satu akan menjangkakan bahawa mikroskop x-ray akan mempunyai resolusi yang sesuai. Sudah tentu, 1 angstroms sangat menjanjikan, tetapi tidak semuanya sangat mudah. Hakikatnya adalah disebabkan oleh penyimpangan dan aperture berangka terhad optik sinar-X, masih mungkin untuk mendapatkan imej dengan resolusi hanya beberapa puluh nanometer.

Sesetengah peningkatan resolusi spatial boleh dicapai dengan menggunakan kaedah mikroskopi sinar-X yang sinis difraksi, yang tidak bergantung kepada "vagari" optik sinar-X. Dalam kes ini, imej objek di bawah kajian diperoleh dengan menganalisis corak difraksi, yang terbentuk semasa laluan radiasi koheren melalui objek.Radiasi koheren diperlukan untuk mendapatkan corak difraksi yang jelas. Tetapi di sini terdapat masalah teknikal. Pertama sekali, ini adalah penciptaan sumber radiasi koheren dalam rentang sinar-X, serta memakan masa, dalam segi matematik, proses membina semula imej sesuatu objek daripada corak difraksinya. Walau bagaimanapun, ia adalah masalah yang dapat dikalahkan. Sebagai contoh, masalah sumber yang koheren boleh diselesaikan dengan laser x-ray. Dalam hal ini, harapan besar diletakkan pada projek XFEL – laser elektron bebas gergasi (3.4 km panjang), yang dilancarkan pada tahun 2013. Sementara itu, semasa ketiadaannya, gunakan sumber sinaran yang kurang bercita-cita tinggi. Bagi masalah komputasi yang berkaitan dengan pemprosesan data, mereka kini diselesaikan oleh komputer berkuasa. Juga ambil perhatian bahawa sudah ada kemajuan ke arah mikroskopi sinar-X yang koheren koheren. Contohnya, baru-baru ini, seperti yang telah kami laporkan, imej virus itu diperoleh menggunakan mikroskop sinar-x dengan resolusi rekod 22 nm pada masa itu.

Dan baru-baru ini, sekumpulan saintis dari Jerman dan Perancis berjaya "meningkatkan" teknologi mikroskopi difraksi sinar-X dan mencapai resolusi sekitar 5 nm. Mereka menerbitkan hasilnya dalam jurnal Surat Pemeriksaan Fizikal Pengimejan sinaran X-Ray yang koheren dengan Pencahayaan Nanofocused. Apakah yang telah diajukan oleh pengarang kerja kepada kaedah fluoroskopi yang sudah ada?

Meningkatkan fluks sinar-x dikenali untuk meningkatkan resolusi mikroskop. Oleh itu, para saintis berjaya memfokuskan (dan ini adalah pencapaian utama mereka) radiasi sinar-X dalam rasuk dengan diameter 100 nm, yang memungkinkan untuk meningkatkan fluks radiasi dengan ketara kepada objek. Pada masa yang sama, saintis berjaya mengurangkan masa pendedahan objek kajian (yang penting) hingga 10 minit.

Sinar-X yang koheren dalam kerja ini dicipta menggunakan synchrotron ESRF (Synchrotron Radiation Facility) – sebuah peranti yang terletak di Grenoble (lihat Rajah 1).

Rajah. 2 (a) – satu skim untuk mendapatkan imej difraksi objek di bawah penyelidikan di bawah tindakan pancaran sinar x sinar-nanofocusing; (b) – imej sekumpulan zarah emas pada membran silikon nitrida, yang diperolehi menggunakan pengimbasan mikroskop; (c) – imej difraksi satu zarah emas tunggal (ditunjukkan oleh anak panah dalam angka itub). Imej dari artikel dalam perbincanganFiz. Wahyu Lett.

Kami menyelidik zarah-zarah emas yang sangat kecil (kurang daripada 100 nm) pada substrat (membran) silikon nitride dengan ketebalan hanya 50 nm. Rasuk sinar-X difokuskan nano melalui substrat dengan zarah emas, dengan itu mencipta corak difraksi. Pilihan zarah emas sebagai objek kajian adalah disebabkan oleh dua sebab: mereka mempunyai, pertama, sekatan silang yang relatif besar dan, kedua, rintangan radiasi yang tinggi. Bahagian rasuk yang secara langsung melalui substrat silikon nitrida dihalang oleh injap khas agar tidak memesongkan corak difraksi yang terhasil. Secara kasarnya, bahagian fluks sinar-x ini tidak membawa maklumat mengenai objek yang melaluinya, kerana ia tidak menjalani pembelauan.

Rajah. 3 (a) – imej semula zarah emas, yang diperoleh secara berasingan oleh kaedah HIO (lihat penjelasan dalam teks); (b) – akhirnya gambar "rata-rata" (pengedaran ketumpatan elektron di dalam) zarah emas. Imej dari artikel dalam perbincanganFiz. WahyuLett.

Corak difraksi terhasil oleh kamera khas, yang terletak 1250 mm di belakang membran. Imej difraksi sinar-x zarah emas tunggal yang diambil oleh kamera ini ditunjukkan dalam Rajah. 2c. Ini diikuti dengan prosedur piawai: imej yang dihasilkan telah digunakan untuk membina semula struktur zarah emas tunggal menggunakan kaedah input-output hibrid (HIO) yang dipanggil ("Unsur-unsur" telah pun ditulis tentang intinya). Keputusan dibentangkan dalam Rajah. 3

Perlu diingat bahawa ungkapan "pencitraan dengan mikroskop optik" dan "pengimejan dengan mikroskop sinar-x" mempunyai makna yang berbeza. Apabila ia datang kepada mikroskopi sinar-X, maka dengan "imej" perlu difahami pengedaran ketumpatan elektron di dalam objek di bawah kajian.

Ia juga perlu menjelaskan bahawa memajukan mikroskopi sinar-X dalam resolusi spatial memberikan kesukaran teknikal yang besar, memandangkan peningkatan dalam resolusi dengan satu urutan magnitud mesti disertai dengan peningkatan dos radiasi kira-kira 104 kali

Walau bagaimanapun, kaedah penggabungan sinar-X yang koheren mempunyai masa depan yang menjanjikan. Sebagai contoh, program penyelidikan ESRF yang disebutkan di atas untuk 2008-2017. memperuntukkan penambahbaikan dan penggunaan aktif kaedah ini, yang tidak merosakkan objek yang dikaji dan membolehkan anda mengetahui struktur terperinci mana-mana mikro atau nanostruktur tunggal: titik kuantum, zarah dalam penukar pemangkin, sel biologi, dan sebagainya.

Sumber: C. G. Schroer, P. Boye, J.M Feldkamp, ​​J. Patommel, A. Schropp, A. Schwab, S. Stephan, M. Burghammer, S. Schöder, C. Riekel. Pengimejan sinaran X-Ray yang koheren dengan Pencahayaan Nanofocused // Surat Pemeriksaan Fizikal, 101, 090801 (2008).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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