Un concetto per un nuovo microscopio a raggi X promette immagini tridimensionali di oggetti delicati come le cellule biologiche che utilizzano radiazioni mille volte meno dannose rispetto ai metodi convenzionali. Il nuovo microscopio consentirebbe di visualizzare intere cellule ad alta risoluzione nel loro ambiente nativo, senza gelare, tagliandoli o macchiandoli. Gli scienziati del DESY Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt e Henry Chapman del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presentano il loro concetto sulla rivista ottica . Lo studio di simulazione fornisce una prospettiva brillante per l'aggiornamento pianificato dell'anello di accumulo PETRA III di DESY a una sorgente di raggi X di prossima generazione, PETRA IV.

L'imaging delle strutture delle cellule biologiche su scala nanometrica di solito richiede raggi X, poiché le loro lunghezze d'onda corte consentono di risolvere i dettagli fini. "Però, I raggi X depositano anche energia che danneggia rapidamente i campioni biologici, " dice Villanueva-Perez. La velocità con cui si verifica il danno da radiazioni dipende dalle caratteristiche dell'oggetto in esame e dall'energia dei raggi X utilizzati, ma in pratica è il fattore limitante per la risoluzione e la sensibilità delle odierne tecniche di imaging a raggi X.

Le immagini a raggi X possono essere formate con una varietà di mezzi. Le familiari radiografie dei denti o delle ossa rotte si basano sull'assorbimento:l'osso denso lascia un'ombra scura nell'immagine in cui vengono assorbiti i fotoni dei raggi X. Un microscopio a raggi X costruito per l'imaging delle cellule di solito dipende dalla diffusione elastica dei raggi X nel campione per ottenere immagini con una risoluzione molto più elevata. Questo è simile a come si formano le immagini in un microscopio ottico. Sebbene la diffusione elastica dei raggi X non trasferisca energia, in tutti i microscopi a raggi X costruiti fino ad oggi, tali processi di dispersione avvengono molto meno frequentemente dell'assorbimento effettivo. "In realtà, lo scattering non può avvenire senza che una frazione dell'energia del fotone venga depositata nel campione, producendo danni da radiazioni, " dice Villanueva-Perez.

Gli oggetti assorbono tanto meno quanto più energetici sono i fotoni dei raggi X. Però, energie così elevate non sono state considerate utili per la microscopia ad alta risoluzione poiché anche la diffusione elastica diminuisce e un'altra forma di diffusione diventa predominante. In questo processo anelastico, noto anche come diffusione Compton, il raggio X perde parte della sua energia all'oggetto mentre rimbalza su un atomo e nel processo cambia lunghezza d'onda. Questo di solito produce uno sfondo indesiderato senza caratteristiche o nebbia nell'immagine, deteriorando la qualità sia dell'immagine che del campione.

L'intuizione del team è stata che a energie dei fotoni di raggi X molto elevate di 64 kiloelettronvolt (keV) ci sono molti più eventi di scattering Compton per una data quantità di energia depositata nella cellula rispetto allo scattering elastico alle energie convenzionali dei fotoni inferiori sfruttate da tecniche attuali. È quindi possibile creare un'immagine dettagliata rasterizzando un punto di raggi X focalizzato attraverso la cellula e mappando la dispersione totale rilevata in ciascuna posizione. Sorprendentemente, l'analisi ha mostrato che la dose poteva essere ridotta di un fattore 1000 per una data risoluzione. "Nessuno pensava davvero di provare la microscopia biologica a energie così alte, " spiega Chapman. "Non esistevano sorgenti di raggi X sufficientemente luminose, non c'era modo di focalizzare il raggio, e non c'erano rilevatori."

Il team ha trovato soluzioni a queste sfide. Il team di Bajt ha recentemente sviluppato una lente innovativa da un "metamateriale" artificiale multistrato che offre la più piccola messa a fuoco dei raggi X mai raggiunta. "L'efficienza delle nostre lenti multistrato migliora notevolmente con l'aumento dell'energia, e fanno macchie ancora più piccole, " dice Bajt. "Quindi sono ideali per costruire il nostro microscopio".

La sorgente di raggi X PETRA IV, attualmente in fase di progettazione, fornirà fasci di luminosità dei raggi X molto più elevata alle energie dei fotoni elevate richieste rispetto a quanto possibile oggi. Questo lascia ancora il rilevatore. "Il rivelatore ideale dovrebbe circondare il campione, per raccogliere tutti i fotoni sparsi in tutte le direzioni, " spiega Villanueva-Perez. Questo può essere costruito utilizzando la tecnologia di oggi. Una volta realizzato, questi ingredienti consentiranno agli scienziati di scansionare intere cellule e organelli con una risoluzione di pochi nanometri in tutte e tre le dimensioni, nel loro stato naturale – soddisfacendo un desiderio diffuso dei biologi. Fino ad allora, gli scienziati hanno in programma di testare il loro nuovo concetto con campioni biologici presso le migliori sorgenti di raggi X di oggi come PETRA III con rivelatori convenzionali.