Hạt phấn hoa có hiển thị bọt nano bên trong hoặc tảo cát với các cấu trúc hình học riêng lẻ có thể nhìn thấy rõ nhờ sử dụng tia X năng lượng cao từ nguồn synchrotron PETRA III tại DESY. Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm do các nhà khoa học CFEL Saša Bajt và Henry Chapman dẫn đầu nhằm tìm ra kỹ thuật chụp ảnh X-quang mới cho các cấu trúc siêu vi mô như vậy mà không làm hỏng mẫu chụp.
Kỹ thuật mới của họ tạo ra hình ảnh tia X có độ phân giải cao cho vật liệu sinh học khô chưa được đông lạnh, phủ hoặc thay đổi trước đó mà không gây hư hại cho mẫu. Phương pháp này cũng được sử dụng để quét hành lý tại sân bay, tạo ra hình ảnh của vật liệu ở độ phân giải nanomet. Sử dụng tia X năng lượng cao tập trung cường độ cao thông qua một bộ thấu kính nhiễu xạ mới, cho phép thực hiện chụp ảnh ở mức dưới 1% ngưỡng thiệt hại do tia X đối với mẫu vật. Các kết quả cho thấy phương pháp này là công cụ có tiềm năng lớn nhờ các nguồn phát thế hệ mới hơn như dự án nâng cấp PETRA IV, được công bố trên Tạp chí Light: Science & Application.
Từ trái sang phải: hạt phấn hoa được thu thập tại DESY, tảo cát và vi khuẩn lam, tất cả đều được chụp bằng Kính hiển vi tán xạ Compton tia X tại PETRA III. Những ảnh vi mô này, đạt độ phân giải lên tới 70 nanomet, có thể được chụp mà không gây hư hại cho các mẫu ban đầu bằng cách sử dụng các photon năng lượng cao tập trung cao độ nhờ các thấu kính tùy chỉnh mới. Với PETRA IV, những hình ảnh như vậy có thể đạt được độ chi tiết cao hơn, chi tiết hơn và cấu trúc mịn hơn cũng như phối cảnh ba chiều (Nguồn: DESY/CFEL)
Tia X tương tác với vật liệu sinh học theo nhiều cách khác nhau, chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng và cường độ của nguồn phát. Thiệt hại do bức xạ, như những thay đổi nhỏ về cấu trúc cho đến sự phân hủy hoàn toàn của mẫu, là yếu tố hạn chế trong quá trình chụp ảnh bằng tia X cho các mẫu sinh học. Ở mức năng lượng thấp, tia X chủ yếu bị hấp thụ bởi các nguyên tử trong mẫu, các electron của chúng nhận năng lượng, khiến chúng bật ra khỏi nguyên tử và gây hư hại cho mẫu. Do đó, hình ảnh sử dụng các tia X năng lượng thấp này phụ thuộc sự hấp thụ bức xạ của mẫu. Ở mức năng lượng cao hơn, khả năng hấp thụ ít xảy ra hơn và quá trình gọi là tán xạ đàn hồi xảy ra, trong đó các photon tia X “bật” ra khỏi vật chất giống như những quả bóng bi-a mà không tích tụ năng lượng. Các kỹ thuật như tinh thể học hoặc ptychography sử dụng sự tương tác này. Tuy nhiên, sự hấp thụ vẫn có thể xảy ra, nghĩa là mẫu vẫn bị hư hại.
Tương tác thứ ba: tán xạ Compton, trong đó tia X chỉ để lại một lượng rất nhỏ năng lượng của chúng trong vật liệu đích. Tán xạ Compton phần lớn đã bị bỏ qua như một phương pháp khả thi của kính hiển vi tia X, vì nó đòi hỏi năng lượng tia X thậm chí còn cao hơn mà cho đến nay chưa tồn tại thấu kính có độ phân giải cao nào có thể phù hợp. Chapman, nhà khoa học hàng đầu tại DESY, giáo sư Đại học, cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tán xạ Compton và phát hiện ra rằng lượng năng lượng được truyền vào một mẫu trên số lượng photon mà có thể phát hiện được thấp hơn so với việc sử dụng các phương pháp khác”.
Yêu cầu về liều lượng bức xạ thấp trong mẫu đặt ra thách thức trong việc chế tạo thấu kính. Tia X năng lượng cao xuyên qua tất cả các vật liệu và hầu như không bị khúc xạ hoặc bị uốn cong. CFEL đã phát triển một loại thấu kính khúc xạ mới, được gọi là thấu kính Laue đa lớp. Những bộ phận quang học mới này bao gồm các lớp cacbua silic và cacbua vonfram xen kẽ mỏng hơn 7.300 nanomet, sử dụng để chế tạo thành phần quang học ba chiều đủ dày để tập trung chùm tia X một cách hiệu quả. Sử dụng hệ thống thấu kính này và đường truyền tia PETRA III P07, nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh nhiều loại vật liệu sinh học bằng cách thu dữ liệu tán xạ Compton khi mẫu được đưa qua chùm tia X hội tụ. Chế độ kính hiển vi quét này yêu cầu một nguồn rất mạnh được tập trung vào một điểm xác định độ phân giải của hình ảnh. PETRA III là một trong những cơ sở bức xạ synchrotron trên toàn thế giới đủ năng lượng tia X cao để có thể thu được hình ảnh trong thời gian hợp lý.
Hệ thống synchrotron PETRA III tại DESY
Để thử nghiệm phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn lam, tảo cát và thậm chí cả hạt phấn hoa thu thập trực tiếp bên ngoài phòng thí nghiệm làm mẫu và đạt được độ phân giải 70 nanomet cho mỗi loại. Hơn nữa, khi so sánh với hình ảnh thu được từ một mẫu phấn hoa tương tự sử dụng phương pháp chụp ảnh tán xạ kết hợp thông thường ở năng lượng 17 keV, kính hiển vi tia X Compton đạt được độ phân giải tương tự với liều tia X thấp hơn 2000 lần. Khi kiểm tra lại các mẫu vật bằng kính hiển vi quang học sau thí nghiệm, không thể thấy bất kỳ dấu vết nào về vị trí chùm tia đã tiếp xúc với mẫu, nghĩa là không có thiệt hại do bức xạ để lại. Những kết quả này thậm chí có thể tốt hơn và lý tưởng nhất là sử dụng máy dò hình cầu, vì tia X phát ra từ mẫu sẽ đi theo mọi hướng so với mẫu.
Hình ảnh của vi khuẩn lam không có gì đặc biệt so với những loài khác. Tuy nhiên, dữ liệu chỉ ra rằng ở cường độ cao hơn, các bào quan riêng lẻ và thậm chí cả các cấu trúc trong ba chiều sẽ có thể nhìn thấy với độ phân giải lên tới 10 nm. Hạn chế duy nhất của kỹ thuật này không phải là bản chất của kỹ thuật mà là nguồn gốc, cụ thể là cường độ của tia X. Với nguồn cường độ cao, phương pháp này sau đó có thể được sử dụng để chụp ảnh toàn bộ tế bào hoặc mô chưa được cắt bỏ, bổ sung cho kính hiển vi điện tử lạnh và kính hiển vi quang học siêu phân giải hoặc để theo dõi các hạt nano trong tế bào, chẳng hạn như để quan sát trực tiếp quá trình phân phối thuốc. Các đặc tính của tán xạ Compton làm cho phương pháp này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng phi sinh học, chẳng hạn như kiểm tra cơ chế sạc và xả pin.
Từ khóa: bức xạ; tia X; chụp ảnh; Compton;
– CMD&DND –
