新型高分辨率X射线成像技术可以在不造成损坏的情况下对生物标本进行成像

显示内部纳米泡沫的花粉颗粒或内部具有单个几何结构的硅藻清晰可见：使用来自DESY的PETRA III同步加速器光源的高能X射线，由CFEL科学家Saša Bajt和Henry Chapman领导的研究小组设法在不损坏这些结构的情况下对这些结构进行成像。

他们的新技术可生成干燥生物材料的高分辨率X射线图像，这些图像事先未被冷冻，涂层或以其他方式改变 - 所有这些都对样品几乎没有损坏。这种方法也用于机场行李扫描，可以生成纳米分辨率的材料图像。

使用通过一组新型衍射透镜强烈聚焦的高能X射线，这种特殊技术允许在不到标本X射线损伤阈值的1%下进行成像。研究结果显示，这种方法是更明亮的下一代光源(如计划中的升级项目PETRA IV)的有前途的工具，已发表在《光：科学与应用》杂志上。

X射线光以多种方式与生物材料相互作用，主要取决于光的能量和强度。同时，辐射损伤，例如样品的微小结构变化直至完全降解，是生物样品X射线成像过程中的限制因素。

在低能量下，X射线主要被样品中的原子吸收，其电子吸收能量，使它们从原子中弹出并对样品造成损坏。因此，使用这些低能X射线的图像绘制出样品对辐射的吸收。在较高的能量下，吸收的可能性较小，并且会发生称为弹性散射的过程，其中X射线光子像台球一样从物质上“反弹”而不会沉积能量。

晶体学或叠层学等技术使用这种相互作用。然而，吸收仍然会发生，这意味着无论如何都会损坏样品。但还有第三种相互作用：康普顿散射，其中X射线只在目标材料中留下少量能量。康普顿散射作为一种可行的X射线显微镜方法在很大程度上被忽视了，因为它需要更高的X射线能量，而到目前为止还没有合适的高分辨率透镜。

“我们使用康普顿散射，我们发现每数量的光子沉积到样本中的能量低于使用这些其他方法，”Chapman说，他是DESY的领先科学家，汉堡大学的教授，也是同步加速器和自由电子激光器不同X射线技术的发明者。

样品中低剂量的优势对制造合适的镜片提出了挑战。高能X射线穿过所有材料，几乎不会像聚焦那样折射或弯曲。Bajt是CFEL的组长，他领导了开发一种新型折射透镜的努力，称为多层劳厄透镜。这些新的光学器件包括超过7300纳米薄的碳化硅和碳化钨交替层，该团队用它来构建一个足够厚的全息光学元件，以有效地聚焦X射线束。

使用该透镜系统和DESY的PETRA III光束线P07，该团队通过在样品通过聚焦光束时检测康普顿散射数据来对各种生物材料进行成像。这种扫描显微镜模式需要一个非常明亮的光源——越亮越好——聚焦到定义图像分辨率的点上。

PETRA III是全球同步辐射设施之一，在高X射线能量下足够明亮，能够在合理的时间内以这种方式获取图像。该技术可以通过计划中的PETRA IV设施充分发挥其潜力。

为了测试这种方法，研究小组使用蓝藻，硅藻，甚至是直接在实验室外收集的花粉粒(“一个非常本地的标本，”Bajt笑着)作为他们的样本，并实现了70纳米的分辨率。

此外，与使用传统的相干散射成像方法以17 keV的能量从类似花粉样品获得的图像相比，康普顿X射线显微镜实现了类似的分辨率，X射线剂量降低了2000倍。“当我们在实验后使用光学显微镜重新检查标本时，我们看不到光束与它们接触的任何痕迹，”她解释说 - 这意味着没有留下辐射损伤。

“这些结果甚至可能更好，”查普曼说。“理想情况下，像这样的实验将使用球形探测器，因为从样品中出来的X射线会从样品的每个方向上流出。这样，这有点像粒子物理碰撞实验，你需要从各个方向收集数据。

此外，查普曼指出，与其他蓝藻相比，蓝藻的图像相对没有特征。然而，数据表明，在更高的亮度下，例如计划的PETRA IV升级，单个细胞器甚至三维结构将变得可见 - 高达10纳米的分辨率而不会造成损坏。“实际上，这种技术的唯一限制不是技术本身的性质，而是光源，即它的亮度，”Bajt说。

使用更亮的光源，该方法可用于对整个未切片细胞或组织进行成像，补充冷冻电子显微镜和超分辨率光学显微镜，或用于跟踪细胞内的纳米颗粒，例如直接观察药物递送。康普顿散射的特性使该方法也非常适合非生物用途，例如检查电池充电和放电的力学。

“文献中还没有类似的技术，”Bajt说，“所以有很多东西需要探索。