1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 5, 2023

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 5, стр. 3-15

Проект сканирующего и проекционного микроскопов для станции “Наноскопия” для биологических исследований в “окне прозрачности воды”

И. В. Малышев a, *, А. Е. Пестов a, В. Н. Полковников a, Д. Г. Реунов a, М. Н. Торопов a, Н. И. Чхало a, Я. В. Ракшун b, Ю. В. Хомяков b, В. А. Чернов b, И. А. Щелоков c

a Институт физики микроструктур РАН
603950 Нижний Новгород, Россия

b Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
630090 Новосибирск, Россия

c Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН
142432 Черноголовка, Россия

* E-mail: ilya-malyshev-wot@yandex.ru

Поступила в редакцию 21.07.2022
После доработки 17.10.2022
Принята к публикации 17.10.2022

Аннотация

Дано краткое описание концепции мягкого рентгеновского микроскопа для станции “Наноскопия”, которая планируется для установки на синхротроне четвертого поколения СКИФ. Микроскоп будет предназначен для изучения строения клеток и динамических процессов в них с нанометровым пространственным разрешением. Прибор будет использовать уникальный абсорбционный контраст ~15 между углеродсодержащими структурами и водой в спектральном диапазоне “окна прозрачности воды” λ = 2.3–4.3 нм, что исключает необходимость контрастирования и применения флуорофоров и минимизирует необходимые для получения высококачественных 3D-изображений поглощенные в образцах дозы ионизирующего излучения. Приведены сканирующая и проекционная схемы микроскопа, их основные технические характеристики, в том числе расчетные спектры и параметры ондуляторного источника, получена оценка поглощенных доз в зависимости от разрешения. Основное преимущество предлагаемой концепции заключается в использовании объектива из высокоапертурных многослойных рентгеновских зеркал, который позволяет четко визуализировать фокальный срез образца. Для восстановления трехмерной структуры замороженных или высушенных образцов будет также использована технически простая аксиальная томография. В сканирующей схеме благодаря малой дозе облучения можно будет изучать живые клетки растений с разрешением до 10 нм, животных – до 80 нм и замороженные образцы с разрешением до 5 нм. В проекционной схеме за счет одномоментного наблюдения всего фокального ХY-среза существенно уменьшено время получения трехмерных изображений, но за счет большой дозы она будет ориентирована в основном на изучение фиксированных образцов.

Ключевые слова: мягкая рентгеновская микроскопия, “окно прозрачности воды”, синхротронное излучение, станция для синхротрона СКИФ, изучение живых клеток с нанометровым разрешением.

Список литературы

  1. Hanssen E., Knoechel C., M. Dearnley M. et al. // J. Struct. Biol. 2012. V. 177. № 2. P. 224. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2011.09.003

  2. Kirz J. // Q. Rev. Biophys. 1995 V. 28. P. 33. https://doi.org/10.1017/s0033583500003139

  3. Eltsov M., Grewe D., Lemercier N. et al. // Nucl. Acids Res. 2018. V. 46. № 17. P. 9189. https://doi.org/10.1093/nar/gky670

  4. Hell S.W., Wichmann J. // Opt. Lett. 1994. V. 19. № 11. P. 780. https://doi.org/10.1364/OL.19.000780

  5. Späth A., Schöll S., Riess C. et al. // Ultramicroscopy. 2014. V. 144. P. 19. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2014.04.004

  6. Vila-Comamala J., Jefimovs K., Raabe J. et al. // Ultramicroscopy. 2009. V. 109. № 11. P. 1360. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2009.07.005

  7. Späth A., Raabe J., Fink R.H. // J. Synchr. Radiat. 2015. V. 22. № 1. P. 113. https://doi.org/10.1107/S1600577514022322

  8. Kotani Y., Senba Y., Toyoki K. et al. // J. Synchr. Radiat. 2018. V. 25. № 5. P. 1444. https://doi.org/10.1107/S1600577518009177

  9. Takman P.A.C., Stollberg H., Johansson G.A. et al. // J. Microscopy. 2007. V. 226. № 2. P. 175. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2007.01765.x

  10. Larabell C.A., Le Gros M.A. // Mol. Biol. Cell. 2004. V. 15. № 3. P. 957. https://doi.org/10.1091/mbc.E03-07-0522

  11. Малышев И.В., Пестов А.Е., Полковников В.Н. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2019. № 1. С. 3. https://doi.org/10.1134/S0207352819010128

  12. Schneider G., Guttmann P., Heim S. et al. // Nat. Methods. 2010. V. 7. Iss. 12. P. 985. https://doi.org/10.1038/nmeth.1533

  13. Chkhalo N.I., Malyshev I.V., Pestov A.E. et al. // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 3. P. 619. https://doi.org/10.1364/AO.55.000619

  14. Turkot B. // Proc. SPIE. 2016. V. 9776. P. 977602. https://doi.org/10.1117/12.2225014

  15. Pirati A., v. Schoot J., Troost K. et al. // Proc. SPIE. 2017. V. 10143. P. 101430G. https://doi.org/10.1117/12.2261079

  16. Gullikson E.M., Salmassi F., Aquila A.L., Dollar F. Lawrence Berkeley National Laboratory: Berkeley, CA, USA, 2006. http://escholarship.org/uc/item/8hv7q0hj (accessed on 20 June 2008).

  17. Jingtao Z., Haochuan L., Hongchang W. et al. PXRNM workshop-2016, 2016. https://www.utwente.nl/en/tnw/xuv/workshops/archive/ pxrnm-workshop-2016/program/pxrnms-2016-abstracts-poster-presentations.pdf.

  18. Burcklen C., de Rossi S., Meltchakov E. et al. // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 10. P. 1927. https://doi.org/10.1364/OL.42.001927

  19. Andreev S.S., Bibishkin M.S., Chkhalo N.I. et al. // J. Synchr. Radiat. 2003. V. 10. Iss. 5. P. 358. https://doi.org/10.1107/S0909049503015255

  20. Bibishkin M.S., Chkhalo N.I., Fraerman A.A. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2005. V. 543. № 1. P. 333. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.01.251

  21. Akhsakhalyan A.D., Kluenkov E.B., Lopatin A.Ya. et al. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2017. V. 11. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1134/S1027451017010049

  22. Полковников В.Н., Гарахин С.А., Квашенников Д.C., Малышев И.В., Салащенко Н.Н., Свечников М.В., Смертин Р.М., Чхало Н.И. // ЖТФ. 2020. V. 90(11), P. 1893.

  23. Chkhalo N.I., Malyshev I.V., Pestov A.E. et al. // Physics-Uspekhi. 2020. V. 63. № 1. P. 67. https://doi.org/10.3367/UFNe.2019.05.038601

  24. http://www.eurotek-general.ru/products/systems_pi/ multicoordinate/p-561-p-562-p-563-pimars/"\l “ad- image-0

  25. Schelokov I.A., Roshchupkin D.V., Kondakov A.S. et al. // Optics Commun. 1999. V. 159. № 4–6. P. 278. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(98)00598-7

  26. Schneider G., Niemann B. // X-ray Sci. 1994. V. 2. P. 8.

  27. Gilbert J.R. Soft X-Ray Microimaging of Whole Wet Cells. PhD thesis, California Institute of Technology, Pasadena, California, 1992.

  28. Chkhalo N.I., Malyshev I.V., Pestov A.E., Polkovnikov V.N., Reunov D.G., Salashchenko N.N., Shchelokov I.A. X-ray Optical Scheme for Station “Nanoscope” for Biological Research in the Water Window. Synchrotron and Free Electron Laser Radiation: Generation and Application (SFR-2020). https://doi.org/10.1063/5.0031702

  29. Малышев И.В., Реунов Д.Г., Чхало Н.И. и др. // Матер. XXVI Междунар. симп. “Нанофизика и наноэлектроника”. Нижний Новгород, 14–17 марта 2022. Т. 1. С. 562.

  30. Sage D., Donati L., Soulez F. et al. // Methods-Image Processing for Biologists. 2017. V. 115. P. 28. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2016.12.015

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал