新的高分辨率X射线成像技术可对生物标本进行成像而不造成损害

从左到右：在DESY收集的花粉粒、硅藻和蓝藻，都是在PETRA III使用康普顿X射线散射显微镜成像的。这些显微照片的分辨率高达70纳米，通过使用由新型定制镜头高度聚焦的高能光子，可以在不对原始样品造成损害的情况下拍摄。利用计划中的PETRA IV光源，这种图像可以实现更高的细节，具有更精细的结构细节，以及三维视角。资料来源：DESY/CFEL

一粒花粉显示了其内部的纳米泡沫，或者一个硅藻，其内部的单个几何结构清晰可见：利用来自DESY的PETRA III同步辐射光源的高能X射线，由CFEL科学家Saša Bajt和Henry Chapman领导的一个团队已经成功地对这些结构进行了成像，而没有对它们造成损害。

他们的新技术产生了干燥生物材料的高分辨率X射线图像，这些材料事先没有被冷冻、涂抹或以其他方式改变--所有这些对样品几乎没有损害。这种方法也被用于机场行李扫描，可以生成纳米级分辨率的材料图像。

使用通过一组新型衍射透镜强烈聚焦的高能量X射线，这种特殊的技术允许在低于试样的X射线损伤阈值的1%时进行成像。这些结果揭示了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）的一个有前途的工具，已发表在《光》杂志上：科学与应用》杂志。

X射线光以各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，如小的结构变化直至样品的完全退化，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，其电子吸收了能量，导致它们从原子中弹出，对样品造成损害。因此，使用这些低能量的X射线的图像映射出样品对辐射的吸收情况。在更高的能量下，吸收的可能性较小，一个被称为弹性散射的过程发生了，X射线光子像台球一样从物质上 "反弹"，而没有沉积其能量。

诸如晶体学或立体成像等技术就是利用这种互动。尽管如此，吸收仍然可能发生，这意味着无论如何都会对样品造成损害。但是还有第三种相互作用：康普顿散射，X射线在目标材料中只留下极少量的能量。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，而直到现在还没有合适的高分辨率镜头存在。

查普曼说："我们使用康普顿散射，并且我们发现，每一个你能检测到的光子数量中沉积到样品中的能量比使用这些其他方法要低，"他是DESY的主要科学家，汉堡大学的教授，以及同步加速器和自由电子激光器的不同X射线技术的发明人。

样品中低剂量的优势对制造合适的透镜构成了挑战。高能量的X射线穿过所有的材料，几乎没有折射，或弯曲，这是聚焦所需要的。在CFEL担任组长的Bajt领导了开发一种新的折射透镜的工作，称为多层劳埃透镜。这些新的光学元件包括7300多纳米薄的碳化硅和碳化钨交替层，该小组用来构建一个全息光学元件，其厚度足以有效地聚焦X射线束。

利用这个透镜系统和DESY的PETRA III光束线P07，研究小组通过检测样品通过聚焦光束时的康普顿散射数据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，它被聚焦到一个确定图像分辨率的点上。

PETRA III是全世界同步辐射设施之一，它在高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得图像。该技术可以通过计划中的PETRA IV设施发挥其全部潜力。

为了测试这种方法，研究小组使用了一种蓝藻、一种硅藻，甚至是在实验室外直接采集的花粉颗粒（"一种非常局部的标本，"Bajt笑着说）作为他们的样本，并且对每个样本都实现了70纳米的分辨率。

此外，当与使用传统的相干散射成像方法在17KeV的能量下从类似的花粉样品中获得的图像相比，康普顿X射线显微镜以低2000倍的X射线剂量实现了类似的分辨率。她解释说："当我们在实验后用光学显微镜重新检查这些标本时，我们看不到任何光束与它们接触的痕迹，"这意味着没有留下任何辐射损伤。

"这些结果甚至可能更好，"查普曼说。"理想情况下，像这样的实验会使用一个球形探测器，因为从样品中出来的X射线会从样品的各个方向进入。在这种情况下，它有点像粒子物理学的碰撞实验，你需要收集各个方向的数据。"

此外，查普曼指出，与其他的图像相比，蓝藻的图像相对没有特征。然而，数据表明，在更高的亮度下，例如计划中的PETRA IV升级版，单个细胞器甚至三维结构将变得可见--最高分辨率为10纳米，而不会出现损坏问题。"Bajt说："实际上，这项技术的唯一限制不是技术本身的性质，而是来源，即它的亮度。

有了更明亮的光源，这种方法就可以用于对整个未解剖的细胞或组织进行成像，补充低温电子显微镜和超分辨率光学显微镜，或者用于追踪细胞内的纳米颗粒，例如直接观察药物输送。康普顿散射的特点使这种方法也成为非生物用途的理想选择，例如检查电池充电和放电的力学原理。

"Bajt说："在文献中还没有类似于这种技术的东西，""因此有很多东西需要向前探索。

参考资料：Tang Li et al, Dose-efficient scanning Compton X-ray microscopy, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01176-5

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