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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

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.

Об авторах

И. В. Малышев

Институт физики микроструктур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

В. А. Чернов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Ю. В. Хомяков

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Я. В. Ракшун

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Н. И. Чхало

Институт физики микроструктур РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

М. Н. Торопов

Институт физики микроструктур РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

Д. Г. Реунов

Институт физики микроструктур РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

В. Н. Полковников

Институт физики микроструктур РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

А. Е. Пестов

Институт физики микроструктур РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 603950, Нижний Новгород

И. А. Щелоков

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Email: ilya-malyshev-wot@yandex.ru
Россия, 142432, Черноголовка

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 файлы


© И.В. Малышев, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников, Д.Г. Реунов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало, Я.В. Ракшун, Ю.В. Хомяков, В.А. Чернов, И.А. Щелоков, 2023