Nghiên cứu viên tạo hình mẫu sinh học bằng tia X mà không gây hại cho mẫu.

Có thể nhìn thấy rõ các hạt phấn hoa để lộ bọt nano bên trong hoặc tảo cát với nhiều đặc điểm hình học bên trong: Sử dụng tia X năng lượng cao từ nguồn sáng đồng bộ PETRA III DESY, một nhóm do các nhà khoa học CFEL Saa Bajt và Henry Chapman đứng đầu đã có thể chụp ảnh các cấu trúc này mà không phá hủy nó. Phương pháp mới của họ tạo ra hình ảnh tia X có độ phân giải cao của vật liệu sinh học khô không bị đóng băng, phủ hoặc thay đổi–tất cả đều có ít hoặc không làm hỏng mẫu. Công nghệ này, cũng được sử dụng để quét hành lý tại sân bay, có thể cung cấp hình ảnh có độ phân giải nanomet của vật liệu. Một số công nghệ cho phép chụp ảnh được thực hiện ở mức dưới 1% ngưỡng gây hại của tia X của mẫu vật bằng cách sử dụng các tia X năng lượng cao được tập trung mạnh bằng cách sử dụng một bộ thấu kính nhiễu xạ cải tiến.

Các kết quả cho thấy phương pháp này là một công cụ đầy hứa hẹn cho các nguồn sáng thế hệ tiếp theo sáng hơn như dự án nâng cấp PETRA IV đã lên kế hoạch, đã được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications. Ánh sáng tia X tương tác với các vật liệu sinh học theo nhiều cách, chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng và cường độ của ánh sáng. Đồng thời, thiệt hại do bức xạ, chẳng hạn như những thay đổi cấu trúc nhỏ cho đến sự suy giảm hoàn toàn của mẫu, là một yếu tố hạn chế trong quá trình chụp ảnh X-quang các mẫu sinh học. Ở mức năng lượng thấp, tia X được hấp thụ chủ yếu bởi các nguyên tử trong mẫu, các electron của chúng lấy năng lượng khiến chúng rời khỏi nguyên tử và gây hư hỏng mẫu. Những hình ảnh này sử dụng tia X năng lượng thấp do đó ánh xạ sự hấp thụ bức xạ của mẫu.

Ở năng lượng cao hơn, khả năng hấp thụ ít hơn và xảy ra một quá trình gọi là tán xạ đàn hồi, trong đó photon tia X “nảy” ra khỏi vật liệu giống như một quả bóng bi-a mà không tích tụ năng lượng của nó. Các kỹ thuật như tinh thể học hoặc ptychography sử dụng tương tác này. Tuy nhiên, sự hấp thụ vẫn có thể xảy ra, nghĩa là mẫu cũng bị hư hỏng. Nhưng có một tương tác thứ ba: tán xạ Compton, trong đó các tia X chỉ để lại một lượng nhỏ năng lượng của chúng trong vật liệu mục tiêu. Sự tán xạ Compton phần lớn đã bị bỏ qua như một phương pháp kính hiển vi tia X khả thi, vì nó đòi hỏi năng lượng tia X cao hơn mà cho đến nay không tồn tại thấu kính có độ phân giải cao phù hợp. Chapman, nhà khoa học hàng đầu tại DESY, giáo sư tại Đại học California, cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng tán xạ Compton và chúng tôi nhận thấy rằng lượng năng lượng được đưa vào mẫu tính trên số lượng photon mà bạn có thể phát hiện thấp hơn so với việc sử dụng các phương pháp khác này”. Hamburg, đồng thời là người phát minh ra các kỹ thuật tia X khác nhau ở synchrotron và laser điện tử tự do.

Ưu điểm của liều lượng thấp trong mẫu đặt ra thách thức để chế tạo thấu kính phù hợp. Tia X năng lượng cao xuyên qua tất cả các vật liệu và hầu như không bị khúc xạ hoặc bẻ cong khi cần hội tụ. Bajt, trưởng nhóm tại CFEL, đã dẫn đầu nỗ lực phát triển một loại thấu kính khúc xạ mới, được gọi là thấu kính Laue đa lớp. Quang học mới bao gồm hơn 7300 nanomet các lớp cacbua silic và cacbua vonfram xen kẽ mà nhóm đã sử dụng để chế tạo một phần tử quang học ba chiều đủ dày để hội tụ chùm tia X một cách hiệu quả. Sử dụng hệ thống thấu kính này và chùm tia PETRA III P07 tại DESY, nhóm đã chụp ảnh nhiều loại vật liệu sinh học bằng cách phát hiện dữ liệu tán xạ Compton khi mẫu được truyền qua chùm tia hội tụ. Chế độ quét này của kính hiển vi yêu cầu một nguồn rất sáng – càng sáng thì càng tốt – được tập trung vào điểm xác định độ phân giải của hình ảnh. PETRA III là một trong số ít cơ sở bức xạ synchrotron trên thế giới đủ sáng ở năng lượng tia X cao để có thể thu được hình ảnh theo cách này trong một khoảng thời gian hợp lý. Kỹ thuật này có thể phát huy hết tiềm năng của nó với cơ sở PETRA IV đã được lên kế hoạch.

Để kiểm tra phương pháp này, nhóm đã sử dụng vi khuẩn lam, tảo cát và thậm chí cả hạt phấn hoa được thu thập trực tiếp bên ngoài phòng thí nghiệm (“mẫu vật rất địa phương”, Bajt cười) làm mẫu của họ và đạt được độ phân giải 70 nanomet cho mỗi mẫu. Ngoài ra, khi so sánh với hình ảnh thu được từ các mẫu phấn hoa tương tự sử dụng các phương pháp tạo ảnh tán xạ kết hợp thông thường ở năng lượng 17 keV, kính hiển vi tia X của Compton đạt được độ phân giải tương tự với liều lượng tia X thấp hơn 2000 lần. “Khi chúng tôi kiểm tra lại các mẫu vật bằng kính hiển vi ánh sáng sau thí nghiệm, chúng tôi không thể thấy bất kỳ dấu vết nào mà chùm tia đã tiếp xúc với chúng,” ông giải thích – nghĩa là không có tổn hại do bức xạ nào để lại.

“Những kết quả này có thể tốt hơn,” Chapman nói. “Lý tưởng nhất là một thí nghiệm như thế này sẽ sử dụng máy dò hình cầu, bởi vì tia X phát ra từ mẫu đi theo mọi hướng từ mẫu. Theo cách đó, nó hơi giống một thí nghiệm va chạm vật lý hạt, trong đó bạn phải thu thập dữ liệu theo mọi hướng.” Ngoài ra, Chapman chỉ ra rằng hình ảnh của vi khuẩn lam tương đối kỳ công so với những hình ảnh khác. Tuy nhiên, dữ liệu cho thấy rằng ở độ sáng cao hơn, chẳng hạn như nâng cấp PETRA IV theo kế hoạch, các bào quan riêng lẻ và thậm chí cả các cấu trúc trong không gian ba chiều sẽ được nhìn thấy – độ phân giải lên tới 10 nm mà không gây ra hư hại. Bajt nói: “Thực sự, hạn chế duy nhất của kỹ thuật này không phải là bản chất của kỹ thuật mà là nguồn sáng, đó là độ sáng.

Với nguồn sáng hơn, phương pháp này sau đó có thể được sử dụng để chụp ảnh toàn bộ tế bào hoặc mô chưa cắt, bổ sung cho kính hiển vi điện tử lạnh và kính hiển vi quang học siêu phân giải hoặc để phát hiện các hạt nano trong tế bào, chẳng hạn như để quan sát trực tiếp quá trình vận chuyển thuốc. Các đặc điểm của tán xạ Compton làm cho phương pháp này cũng phù hợp với các ứng dụng phi sinh học, chẳng hạn như kiểm tra cơ chế sạc và xả pin. Bajt nói: “Chưa có kỹ thuật nào như thế này trong tài liệu, vì vậy có rất nhiều điều cần khám phá trong tương lai.” ()