Nuovo X. ad alta risoluzione

30 maggio 2023

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dal sincrotrone elettronico tedesco

Un granello di polline che mostra la nanoschiuma all'interno o una diatomea con le singole strutture geometriche all'interno chiaramente visibili: utilizzando i raggi X ad alta energia provenienti dalla sorgente di luce di sincrotrone PETRA III al DESY, un team guidato dagli scienziati del CFEL Saša Bajt e Henry Chapman è riuscito a immagina queste strutture senza danneggiarle.

La loro nuova tecnica genera immagini a raggi X ad alta risoluzione di materiale biologico essiccato che non è stato congelato, rivestito o altrimenti alterato in precedenza, il tutto con danni minimi o nulli al campione. Questo metodo, utilizzato anche per la scansione dei bagagli aeroportuali, può generare immagini del materiale con una risoluzione nanometrica.

Utilizzando raggi X ad alta energia intensamente focalizzati attraverso una serie di nuove lenti diffrattive, la speciale tecnica consente di eseguire l’imaging a meno dell’1% della soglia di danno dei raggi X del campione. I risultati, che rivelano questo metodo come uno strumento promettente per sorgenti luminose più luminose di prossima generazione come il progetto di aggiornamento previsto PETRA IV, sono stati pubblicati sulla rivista Light: Science & Applications.

La luce dei raggi X interagisce con il materiale biologico in vari modi, principalmente a seconda dell'energia e dell'intensità della luce. Allo stesso tempo, i danni da radiazioni, come piccoli cambiamenti strutturali fino alla completa degradazione del campione, sono il fattore limitante durante l’imaging a raggi X di campioni biologici.

A basse energie, i raggi X vengono assorbiti principalmente dagli atomi nel campione, i cui elettroni assorbono l'energia, facendoli fuoriuscire dagli atomi e causando danni al campione. Le immagini che utilizzano questi raggi X a bassa energia mappano quindi l'assorbimento della radiazione da parte del campione. A energie più elevate, l'assorbimento è meno probabile e si verifica un processo chiamato diffusione elastica, in cui i fotoni dei raggi X "rimbalzano" sulla materia come palle da biliardo senza depositare la loro energia.

Tecniche come la cristallografia o la pitcografia utilizzano questa interazione. Tuttavia, può comunque verificarsi un assorbimento, il che significa che si verificano comunque danni al campione. Ma esiste una terza interazione: lo scattering Compton, in cui i raggi X lasciano solo una piccola quantità della loro energia nel materiale bersaglio. Lo scattering Compton era stato in gran parte ignorato come metodo praticabile di microscopia a raggi X, poiché richiede energie di raggi X ancora più elevate dove fino ad ora non esistevano lenti ad alta risoluzione adatte.

"Abbiamo utilizzato lo scattering Compton e abbiamo scoperto che la quantità di energia depositata in un campione per numero di fotoni che è possibile rilevare è inferiore rispetto all'utilizzo di questi altri metodi", afferma Chapman, uno dei principali scienziati del DESY, professore all'Universität Amburgo e inventore di diverse tecniche a raggi X con sincrotroni e laser a elettroni liberi.

Il vantaggio della bassa dose nel campione ha rappresentato una sfida per la realizzazione di lenti adatte. I raggi X ad alta energia attraversano tutti i materiali e difficilmente vengono rifratti o piegati come necessario per la messa a fuoco. Bajt, che è leader del gruppo presso CFEL, ha guidato gli sforzi per sviluppare un nuovo tipo di lente rifrattiva, chiamata lenti Laue multistrato. Queste nuove ottiche comprendono strati alternati di carburo di silicio e carburo di tungsteno sottili oltre 7.300 nanometri che il team ha utilizzato per costruire un elemento ottico olografico sufficientemente spesso da focalizzare in modo efficiente il fascio di raggi X.

Utilizzando questo sistema di lenti e la linea di luce PETRA III P07 al DESY, il team ha ripreso una varietà di materiali biologici rilevando i dati di diffusione Compton mentre il campione veniva fatto passare attraverso il raggio focalizzato. Questa modalità di microscopia a scansione richiede una sorgente molto luminosa (più luminosa è, meglio è) focalizzata su un punto che definisce la risoluzione dell'immagine.