Eine neue Auflösungsgrenze für ein Röntgenmikroskop wurde erreicht • Yuri Erin • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Physik

Neue Röntgenmikroskopauflösung erreicht

Abb. 1. Schematische Darstellung des ESRF-Synchrotrons. Spezifikationen finden Sie hier, die Animation des Funktionsprinzips des Synchrotrons ist hier. Abb. von www.esrf.eu

Einer Gruppe von Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden (TU Dresden) und des Europäischen Zentrums für Synchrotronstrahlung (ESRF) in Grenoble (Frankreich) gelang es, ein Bild eines Goldpartikels mit einer Größe von nur 100 Nanometern zu erhalten. Dieses Ergebnis wurde mit Hilfe der verbesserten Röntgenmikroskopie mit der besten Auflösung von etwa 5 nm erreicht.

Die Röntgenmikroskopie verbessert sich weiter und nähert sich der Angström-Auflösung (1 Angström = 1 × 10-10 m, also 0,1 nm) und eröffnen Möglichkeiten, Bilder der untersuchten Objekte auf der Ebene eines einzelnen Atoms zu erhalten. Natürlich ist ein Röntgenmikroskop nicht der einzige Weg, um nanoskalige Systeme zu untersuchen. Vergessen Sie nicht auch Rasterelektronen- (Raster-Tunnel-Mikroskop), Transmissionselektronen- (Transmissionselektronenmikroskopie) und Rasterkraftmikroskope. Es stellt sich jedoch eine ganz natürliche Frage: Warum versuchen Wissenschaftler, hauptsächlich ein Röntgenmikroskop zu verbessern?

Tatsache ist, dass die oben erwähnten Methoden es erlauben, entweder nur die Oberfläche der Probe (Rastermikroskop) zu untersuchen, oder die Probe selbst muss sehr klein sein, in der Größenordnung von einer Nanometer Dicke (ein Transmissionsmikroskop). Durch die Durchleuchtung können Sie jedoch die gesamte dreidimensionale Struktur der Probe (und nicht nur die Oberfläche) untersuchen, unabhängig von ihrer Dicke und anderen geometrischen Eigenschaften. Es ist auch wichtig, dass die Röntgenstrahlung eine Wellenlänge von 1 Angström von ± 2 Größenordnungen aufweist, und man würde erwarten, dass das Röntgenmikroskop die geeignete Auflösung hat. Natürlich, 1 Angström klingt sehr vielversprechend, aber nicht alles ist so einfach. Tatsache ist, dass es aufgrund der Aberration und der begrenzten numerischen Apertur von Röntgenoptiken immer noch möglich ist, Bilder mit einer Auflösung von nur einigen zehn Nanometern zu erhalten.

Eine gewisse Erhöhung der räumlichen Auflösung kann unter Verwendung der Methode der diffraktions-kohärenten Röntgenmikroskopie erreicht werden, die nicht von den "Launen" der Röntgenoptik abhängt. In diesem Fall wird ein Bild des zu untersuchenden Objekts durch Analysieren der Beugungsmuster erhalten, die während des Durchgangs kohärenter Strahlung durch das Objekt gebildet werden.Kohärente Strahlung ist notwendig, um klare Beugungsmuster zu erhalten. Aber hier gibt es technische Probleme. Dies ist erstens die Erzeugung von kohärenten Strahlungsquellen im Röntgenbereich und zweitens der zeitaufwendige Rekonstruktionsprozess des Bildes eines Objekts aus seinen Beugungsbildern. Dennoch sind es überwindbare Schwierigkeiten. Zum Beispiel kann das Problem einer kohärenten Quelle mit einem Röntgenlaser gelöst werden. In diesem Zusammenhang werden große Hoffnungen in das XFEL-Projekt gesetzt – einen riesigen (3,4 km langen) freien Elektronenlaser, dessen Start für 2013 geplant ist. Verwenden Sie in der Zwischenzeit weniger ambitionierte Strahlungsquellen. Was die Rechenprobleme betrifft, die mit der Datenverarbeitung verbunden sind, werden sie derzeit von leistungsfähigen Computern gelöst. Es ist auch anzumerken, dass es bereits Fortschritte in der Richtung der Röntgenbeugungskohärenz gibt. Zum Beispiel wurde relativ kürzlich, wie wir bereits berichtet haben, ein Bild des Virus unter Verwendung eines solchen Röntgenmikroskops mit einer Aufzeichnungsauflösung von 22 nm zu dieser Zeit erhalten.

Und kürzlich gelang es einer Gruppe von Wissenschaftlern aus Deutschland und Frankreich, die Technologie der Röntgenbeugungsmikroskopie "aufzurüsten" und eine Auflösung von etwa 5 nm zu erreichen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben Kohärente Röntgenbeugungsanalyse mit nanofokussierter Beleuchtung. Was haben die Autoren der Arbeit zu der bereits existierenden Methode dieser Art der Fluoroskopie gebracht?

Es ist bekannt, dass die Erhöhung des Röntgenflusses die Auflösung eines Mikroskops verbessert. So gelang es den Wissenschaftlern, Röntgenstrahlung in einem Strahl mit einem Durchmesser von 100 nm (und das ist ihre Hauptleistung) zu fokussieren, wodurch der Strahlungsfluss zum Objekt deutlich erhöht werden konnte. Gleichzeitig gelang es den Wissenschaftlern, die Expositionszeit des Untersuchungsobjekts (die wichtig ist) auf 10 Minuten zu reduzieren.

Die kohärenten Röntgenstrahlen wurden in dieser Arbeit mit dem ESRF-Synchrotron (European Synchrotron Radiation Facility) erstellt, einem Gerät in Grenoble (siehe Abb. 1).

Abb. 2 (a) – ein Schema zum Erhalten eines Beugungsbildes des untersuchten Objekts unter der Wirkung eines kohärenten Nanofokussierungs-Röntgenstrahls; (b) – Aufnahme eines Clusters von Goldpartikeln auf einer Siliciumnitridmembran, erhalten unter Verwendung der Rastermikroskopie; (c) – Beugungsbild eines einzelnen Goldpartikels (durch einen Pfeil in der Figur angedeutet)b). Bild aus dem Artikel in der DiskussionPhys. Rev. Lett.

Wir untersuchten sehr kleine (weniger als 100 nm) Goldpartikel auf einem Substrat (Membran) aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von nur 50 nm. Der Nano-fokussierte Röntgenstrahl ging mit Goldpartikeln durch das Substrat und erzeugte so ein Beugungsmuster. Auswahl als Gegenstand der Forschung von Goldpartikeln wird durch zwei Ursachen haben: sie haben zum einen eine relativ große Streuquerschnitt und zweitens die hohe Strahlungsbeständigkeit. Der Teil des Strahls, der direkt durch das Siliziumnitrid-Substrat hindurchgegangen war, wurde durch ein spezielles Ventil inhibiert, um das resultierende Beugungsmuster nicht zu verzerren. Grob gesagt, trägt dieser Teil des Röntgenflusses keine Information über das Objekt, durch das er hindurchgegangen ist, da er keine Beugung erfahren hat.

Abb. 3 (a) – rekonstruierte Bilder von Goldteilchen, die unabhängig voneinander durch die HIO-Methode erhalten wurden (siehe die Erläuterungen im Text); (b) – schließlich "gemitteltes" Bild (Verteilung der Elektronendichte im Inneren) eines Goldpartikels. Bild aus dem Artikel in der DiskussionPhys. Rev.Lett.

Das resultierende Beugungsmuster wurde mit einer speziellen Kamera fixiert, die sich 1250 mm hinter der Membran befand. Ein Röntgenbeugungsbild eines einzelnen Goldpartikels, das von dieser Kamera aufgenommen wurde, ist in Fig. 6 gezeigt. 2c. Diesem folgte das Standardverfahren: Das resultierende Bild wurde verwendet, um die Struktur eines einzelnen Goldpartikels unter Verwendung der sogenannten hybriden Eingabe-Ausgabe-Methode (HIO) zu rekonstruieren (die "Elemente" wurden bereits über ihr Wesen geschrieben). Die Ergebnisse sind in Abb. 3

Es sei daran erinnert, dass die Ausdrücke "Bildgebung mit einem optischen Mikroskop" und "Bildgebung mit einem Röntgenmikroskop" eine andere Bedeutung haben. Wenn es um Röntgenmikroskopie geht, dann sollte unter "Bild" die Verteilung der Elektronendichte innerhalb des untersuchten Objekts verstanden werden.

Es muss auch klargestellt werden, dass die fortschreitende Röntgenmikroskopie in räumlicher Auflösung große technische Schwierigkeiten bereitet, da eine Erhöhung der Auflösung um eine Größenordnung mit einer Erhöhung der Strahlungsdosis um etwa 10 einhergehen muss4 mal

Dennoch hat die Methode der kohärenten Röntgenbeugung eine vielversprechende Zukunft. Zum Beispiel das Forschungsprogramm des oben genannten ESRF für 2008-2017. sorgt für die Verbesserung und aktive Nutzung dieser Methode, die für die untersuchten Objekte nicht zerstörerisch ist und Ihnen ermöglicht, die detaillierte Struktur jeder einzelnen Mikro- oder Nanostruktur herauszufinden: Quantenpunkte, Partikel in katalytischen Konvertern, biologische Zellen usw.

Quelle vonC. G. Schroer, P. Boye, J. M. Feldkamp, ​​J. Patommel, A. Schropp, A. Schwab, S. Stephan, M. Burghammer, S. Schöder, C. Riekel. Kohärente Röntgenbeugungsanalyse mit nanofokaler Beleuchtung // Physische Überprüfungsschreiben, 101, 090801 (2008).

Yuri Yerin


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