Microscópio de raios X - X-ray microscope

Uma imagem de microscopia de raios-X de uma planta de canola viva com 10 dias de idade

Um microscópio de raios-X usa radiação eletromagnética na banda de raios-X suave para produzir imagens ampliadas de objetos. Como os raios X penetram na maioria dos objetos, não há necessidade de prepará-los especialmente para observações de microscopia de raios-X.

Ao contrário da luz visível , os raios X não refletem ou refratam facilmente e são invisíveis ao olho humano. Portanto, um microscópio de raios-X expõe o filme ou usa um detector de dispositivo de carga acoplada (CCD) para detectar os raios-X que passam pelo espécime. É uma tecnologia de imagem de contraste que usa a diferença na absorção de raios-X moles na região da janela de água (comprimentos de onda: 2,34-4,4 nm, energias: 280-530 eV) pelo átomo de carbono (elemento principal que compõe a célula viva) e o átomo de oxigênio (um elemento da água).

O raio-X microfoco também atinge grande ampliação por projeção. Um tubo de raios X microfoco produz raios X a partir de um ponto focal extremamente pequeno (5 μm até 0,1 μm). Os raios X estão na faixa de raios X mais convencional (20 a 300 kV) e não são redirecionados.

Invenção e desenvolvimento

A história da microscopia de raios X pode ser rastreada até o início do século XX. Depois que o físico alemão Röntgen descobriu os raios-X em 1895, os cientistas logo iluminaram um objeto usando uma fonte pontual de raios-X e capturaram as imagens de sombra do objeto com uma resolução de vários micrômetros. Em 1918, Einstein apontou que o índice de refração para raios-X na maioria dos meios deve ser ligeiramente menor que 1, o que significa que as peças ópticas refrativas seriam difíceis de usar para aplicações de raios-X.

Os primeiros microscópios de raios-X de Paul Kirkpatrick e Albert Baez usaram óptica de raios-X reflexiva de incidência rasante para focalizar os raios-X, que raspavam os raios-X de espelhos curvos parabólicos em um ângulo de incidência muito alto . Um método alternativo para focalizar os raios X é usar uma pequena placa de zona de Fresnel de anéis concêntricos de ouro ou níquel em um substrato de dióxido de silício . Sir Lawrence Bragg produziu algumas das primeiras imagens de raios-X utilizáveis ​​com seu aparelho no final dos anos 1940.

A fusão de confinamento inercial a laser de acionamento indireto usa um "hohlraum" irradiado com cones de feixe de laser de ambos os lados de sua superfície interna para banhar uma microcápsula de fusão interna com raios X suaves de alta intensidade. Os raios-X de mais alta energia que penetram no hohlraum podem ser visualizados usando um microscópio de raios-X como aqui, onde a radiação-X é representada em laranja / vermelho.

Na década de 1950, Sterling Newberry produziu um microscópio de raios-X de sombra, que colocava o espécime entre a fonte e uma placa-alvo, que se tornou a base para os primeiros microscópios de raios-X comerciais da General Electric Company .

Após um período de silêncio na década de 1960, a microscopia de raios-X recuperou a atenção das pessoas na década de 1970. Em 1972, Horowitz e Howell construíram o primeiro microscópio de raios-X baseado em síncrotron no Cambridge Electron Accelerator. Este microscópio escaneou amostras usando radiação síncrotron de um pequeno orifício e mostrou as habilidades de microscopia de transmissão e fluorescência. Outros desenvolvimentos neste período incluem a primeira demonstração holográfica por Sadao Aoki e Seishi Kikuta no Japão, os primeiros TXMs usando placas de zona por Schmahl et al. E os experimentos de Stony Brook em STXM .

O uso de fontes de luz síncrotron trouxe novas possibilidades para a microscopia de raios X na década de 1980. No entanto, à medida que novos microscópios baseados em fonte síncrotron foram construídos em muitos grupos, as pessoas perceberam que era difícil realizar tais experimentos devido às capacidades tecnológicas insuficientes na época, como iluminação coerente deficiente, elementos ópticos de raios-X de baixa qualidade, e fontes de luz hostis ao usuário.

No início da década de 1990, novos instrumentos e novas fontes de luz alimentaram enormemente o aprimoramento da microscopia de raios-X. Métodos microscópicos, incluindo tomografia, crio e crio-tomografia, foram demonstrados com sucesso. Com o rápido desenvolvimento, a microscopia de raios X encontrou novas aplicações na ciência do solo, geoquímica, ciências do polímero e magnetismo. O hardware também foi miniaturizado, para que os pesquisadores pudessem realizar experimentos em seus próprios laboratórios.

Fontes de intensidade extremamente alta de raios-X de 9,25 keV para microscopia de contraste de fase de raios-X, de um ponto focal de cerca de 10 μm × 10 μm, podem ser obtidas com uma fonte de raios-X não síncrotron que usa um feixe de elétrons focado e um ânodo de metal líquido. Isso foi demonstrado em 2003 e em 2017 foi usado para imagens do cérebro de camundongos em um tamanho de voxel de cerca de um micrômetro cúbico (veja abaixo).

Com o contínuo crescimento das aplicações, a microscopia de raios-X se tornou uma técnica comprovada e rotineira usada em ciências ambientais e do solo, geo e cosmoquímica, ciências de polímeros, biologia, magnetismo, ciências de materiais. Com essa crescente demanda por microscopia de raios-X nessas áreas, microscópios baseados em síncrotron, ânodo de metal líquido e outras fontes de luz de laboratório estão sendo construídos em todo o mundo. Óticas e componentes de raios-X também estão sendo comercializados rapidamente.

Instrumentação

Ótica de raios-x

Fontes de luz síncrotron

Fonte de luz avançada

A Advanced Light Source (ALS) em Berkeley, Califórnia, é o lar do XM-1, um microscópio de raio-X macio de campo completo operado pelo Center for X-ray Optics e dedicado a várias aplicações em nanociência moderna, como materiais nanomagnéticos , ciências ambientais e de materiais e biologia. O XM-1 usa lentes de raios X para focalizar os raios X em um CCD, de maneira semelhante a um microscópio óptico. O XM-1 detém o recorde mundial em resolução espacial com placas de zona de Fresnel até 15 nm e é capaz de combinar alta resolução espacial com resolução de tempo abaixo de 100ps para estudar, por exemplo, dinâmica de spin ultrarrápida. Em julho de 2012, um grupo do DESY reivindicou uma resolução espacial recorde de 10 nm, usando o microscópio de varredura de raios-X rígido do PETRA III.

O ALS também abriga o primeiro microscópio de raio-X macio do mundo projetado para pesquisas biológicas e biomédicas. Este novo instrumento, o XM-2, foi projetado e construído por cientistas do National Center for X-ray Tomography. O XM-2 é capaz de produzir tomogramas tridimensionais de células.

Fonte de raios-x de ânodo de metal líquido

Fontes de intensidade extremamente alta de raios-X de 9,25 keV (linha K-alfa de gálio) para microscopia de contraste de fase de raios-X, a partir de um ponto focal de cerca de 10 um x 10 um, podem ser obtidas com uma fonte de raios-X que usa um ânodo de galinstan de metal líquido . Isso foi demonstrado em 2003. O metal flui de um bocal para baixo em alta velocidade e a fonte de elétrons de alta intensidade é focalizada nele. O rápido fluxo do metal carrega corrente, mas o fluxo físico evita muito aquecimento do ânodo (devido à remoção de calor por convecção forçada), e o alto ponto de ebulição do galinstan inibe a vaporização do ânodo. A técnica tem sido usada para obter imagens do cérebro de camundongos em três dimensões em um tamanho de voxel de cerca de um micrômetro cúbico.

Dispositivos de detecção

Transmissão de varredura

Fontes de raios-X moles adequadas para microscopia, como fontes de radiação síncrotron , têm brilho bastante baixo dos comprimentos de onda necessários, portanto, um método alternativo de formação de imagem é microscopia de raio-X de transmissão de varredura. Aqui, os raios X são focalizados em um ponto e a amostra é digitalizada mecanicamente através do ponto focal produzido. Em cada ponto, os raios X transmitidos são registrados usando um detector, como um contador proporcional ou um fotodiodo de avalanche . Este tipo de microscópio de transmissão de varredura de raios-X (STXM) foi desenvolvido pela primeira vez por pesquisadores da Stony Brook University e foi empregado na Fonte de Luz Síncrotron Nacional no Laboratório Nacional de Brookhaven .

Resolução

A resolução da microscopia de raios X fica entre a do microscópio óptico e a do microscópio eletrônico . Ele tem uma vantagem sobre a microscopia eletrônica convencional é que pode visualizar amostras biológicas em seu estado natural. A microscopia eletrônica é amplamente utilizada para obter imagens com resolução de nanômetro a sub-Angstrom, mas a célula viva relativamente espessa não pode ser observada, pois a amostra deve ser quimicamente fixada, desidratada, incorporada em resina e, em seguida, cortada em fatias ultrafinas. No entanto, deve ser mencionado que a microscopia crioeletrônica permite a observação de espécimes biológicos em seu estado natural hidratado, embora embebidos em gelo de água. Até agora, resoluções de 30 nanômetros são possíveis usando a lente da placa de zona de Fresnel, que forma a imagem usando os raios X suaves emitidos por um síncrotron. Recentemente, o uso de raios X suaves emitidos por plasmas produzidos a laser em vez da radiação síncrotron está se tornando mais popular.

Análise

Além disso, os raios X causam fluorescência na maioria dos materiais, e essas emissões podem ser analisadas para determinar os elementos químicos de um objeto de imagem. Outro uso é gerar padrões de difração , um processo usado em cristalografia de raios-X . Ao analisar os reflexos internos de um padrão de difração (geralmente com um programa de computador), a estrutura tridimensional de um cristal pode ser determinada até a colocação de átomos individuais dentro de suas moléculas. Microscópios de raios-X são às vezes usados ​​para essas análises porque as amostras são muito pequenas para serem analisadas de qualquer outra forma.

Aplicações biológicas

Uma das primeiras aplicações da microscopia de raios-X na biologia foi a imagem de contato, iniciada por Goby em 1913. Nessa técnica, os raios-X moles irradiam uma amostra e expõem as emulsões sensíveis aos raios-X abaixo dela. Em seguida, imagens tomográficas ampliadas das emulsões, que correspondem aos mapas de opacidade de raios-X da amostra, são registradas usando um microscópio de luz ou um microscópio eletrônico. Uma vantagem única que a imagem de contato por raio-X oferece em relação à microscopia eletrônica é a capacidade de gerar imagens de materiais biológicos úmidos. Assim, foi usado para estudar as estruturas em micro e nanoescala de plantas, insetos e células humanas. No entanto, vários fatores, incluindo distorções de emulsão, más condições de iluminação e baixas resoluções de maneiras de examinar as emulsões, limitam a resolução de imagens de contato. Danos por elétrons das emulsões e efeitos de difração também podem resultar em artefatos nas imagens finais.

A microscopia de raios X tem suas vantagens únicas em termos de resolução em nanoescala e alta capacidade de penetração, ambas necessárias em estudos biológicos. Com o recente progresso significativo em instrumentos e focalização, as três formas clássicas de ótica - difrativa, reflexiva e refrativa - foram todas expandidas com sucesso na faixa de raios-X e têm sido usadas para investigar as estruturas e dinâmicas celulares e subcelulares escalas. Em 2005, Shapiro et al. relataram imagem celular de leveduras em uma resolução de 30 nm usando microscopia de difração de raios-X coerente. Em 2008, foi demonstrada imagem de raios-X de um vírus não corado. Um ano depois, a difração de raios-X foi posteriormente aplicada para visualizar a estrutura tridimensional de um cromossomo humano não corado. A microscopia de raios X mostrou, portanto, sua grande capacidade de contornar o limite de difração dos microscópios de luz clássicos; no entanto, o aprimoramento adicional da resolução é limitado por pixels de detector, instrumentos ópticos e tamanhos de fonte.

Uma das principais preocupações de longa data da microscopia de raios-X são os danos da radiação, pois os raios-X de alta energia produzem radicais fortes e desencadeiam reações prejudiciais em amostras úmidas. Como resultado, as amostras biológicas são geralmente fixadas ou liofilizadas antes de serem irradiadas com raios-X de alta potência. Os crio-tratamentos rápidos também são comumente usados ​​para preservar as estruturas hidratadas intactas.

Uma folha quadrada de berílio montada em uma caixa de aço para ser usada como uma janela entre uma câmara de vácuo e um microscópio de raios-X. O berílio, devido ao seu baixo número Z, é altamente transparente aos raios-X.

Veja também

Referências

links externos