Project of Scanning and Projection Microscopes for the Nanoscopy Station for Biological Research in the “Water Transparency Window”

I. V. Malyshev; Малышев И. В.; V. A. Chernov; Чернов В. А.; Yu. V. Khomyakov; Хомяков Ю. В.; Ya. V. Rakshun; Ракшун Я. В.; N. I. Chkhalo; Чхало Н. И.; M. N. Toropov; Торопов М. Н.; D. G. Reunov; Реунов Д. Г.; V. N. Polkovnikov; Полковников В. Н.; A. E. Pestov; Пестов А. Е.; I. A. Shchelokov; Щелоков И. А.

doi:10.31857/S1028096023050126

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

Авторы: Малышев И.В.¹, Чернов В.А.², Хомяков Ю.В.², Ракшун Я.В.², Чхало Н.И.¹, Торопов М.Н.¹, Реунов Д.Г.¹, Полковников В.Н.¹, Пестов А.Е.¹, Щелоков И.А.³
Учреждения:
1. Институт физики микроструктур РАН
2. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
3. Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН
Выпуск: № 5 (2023)
Страницы: 3-15
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/1028-0960/article/view/137748
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023050126
EDN: https://elibrary.ru/AJWIBH
ID: 137748

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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

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
Kirz J. // Q. Rev. Biophys. 1995 V. 28. P. 33. https://doi.org/10.1017/s0033583500003139
Eltsov M., Grewe D., Lemercier N. et al. // Nucl. Acids Res. 2018. V. 46. № 17. P. 9189. https://doi.org/10.1093/nar/gky670
Hell S.W., Wichmann J. // Opt. Lett. 1994. V. 19. № 11. P. 780. https://doi.org/10.1364/OL.19.000780
Späth A., Schöll S., Riess C. et al. // Ultramicroscopy. 2014. V. 144. P. 19. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2014.04.004
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
Späth A., Raabe J., Fink R.H. // J. Synchr. Radiat. 2015. V. 22. № 1. P. 113. https://doi.org/10.1107/S1600577514022322
Kotani Y., Senba Y., Toyoki K. et al. // J. Synchr. Radiat. 2018. V. 25. № 5. P. 1444. https://doi.org/10.1107/S1600577518009177
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
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
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
Schneider G., Guttmann P., Heim S. et al. // Nat. Methods. 2010. V. 7. Iss. 12. P. 985. https://doi.org/10.1038/nmeth.1533
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
Turkot B. // Proc. SPIE. 2016. V. 9776. P. 977602. https://doi.org/10.1117/12.2225014
Pirati A., v. Schoot J., Troost K. et al. // Proc. SPIE. 2017. V. 10143. P. 101430G. https://doi.org/10.1117/12.2261079
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).
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.
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
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
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
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
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.
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
http://www.eurotek-general.ru/products/systems_pi/ multicoordinate/p-561-p-562-p-563-pimars/"l “ad- image-0
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
Schneider G., Niemann B. // X-ray Sci. 1994. V. 2. P. 8.
Gilbert J.R. Soft X-Ray Microimaging of Whole Wet Cells. PhD thesis, California Institute of Technology, Pasadena, California, 1992.
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
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.
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