Brillante Funken für die Röntgenmikroskopie zur dreidimensionalen Aufnahme biologischer Zellen

17.12.2008 - Deutschland

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat eine leistungsstarke Strahlungsquelle für kompakte Röntgenmikroskope entwickelt, die die hochauflösende Untersuchung von biologischen Zellen ermöglicht. Ähnlich wie bei der Computertomographie in der Medizin können nun schichtweise dreidimensionale Betrachtungen von biologischen Zellen aber auch von Halbleitern durchgeführt werden.

In der Biologie können Zellen nur recht aufwändig im Inneren analysiert werden. Die Verwendung von Elektronenmikroskopen erfordert zunächst die Fixierung der ganzen Zellen und anschließend ein zeitaufwändiges Anfertigen von Einzelschnitten. Diese können dann an der Oberfläche Stück für Stück hochauflösend analysiert werden. Wesentlich weniger aufwändig geht es mit der Röntgenmikroskopie. Unmittelbar nach der Kryo-Fixierung der ganzen Zellen können dreidimensionale Bilder mit einer Auflösung von derzeit 20 Nanometern aufgenommen werden. Das geschieht ähnlich wie bei der Computertomographie in der Medizin. Auch in der Halbleiterelektronik können mit hoher Auflösung stromdurchflossene Leiter mit dem Röntgenmikroskop untersucht werden. Fehler werden somit unmittelbar im Betrieb sichtbar gemacht.

Um die im Vergleich zur Lichtmikroskopie hohe Auflösung von 20 Nanometern zu erreichen, sind kurze Wellenlängen im weichen Röntgenbereich notwendig. Um sinnvolle niedrige Belichtungszeiten zu erzielen, müssen darüber hinaus hohe Photonenflüsse vorhanden sein. Diese werden bis heute üblicherweise an Elektronenspeicherringen in Großforschungsanlagen erzeugt. Da es sich hierbei um nur wenige stationäre Forschungsanlagen handelt, ist der Einsatz für viele Anwender nur bedingt möglich.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik hat nun ein kompaktes und lichtstarkes Quelle-Kollektorsystem entwickelt, das den Bau leistungsfähiger Röntgenmikroskope im Labormaßstab ermöglicht. Das Volumen des Röntgenmikroskops liegt unter 2 m3. Damit eignet sich die Anlage für den Einsatz vor Ort.

Mit dem Röntgenmikroskop können Belichtungszeiten im Sekundenbereich für dünne Proben unter 1 Mikrometer und Belichtungszeiten im Bereich einiger zehn Sekunden für dicke biologische Proben von einigen Mikrometern erreicht werden. "Zukünftig werden wir auch für diese Proben unter Verwendung optimierter Kondensorspiegel Belichtungszeiten unter 10 Sekunden erreichen." ist sich Dr. Klaus Bergmann sicher. Er leitet das Projektteam des Fraunhofer ILT.

Als Lichtquelle wurde ein hohlkathodengezündetes Pinchplasma verwendet. Das Arbeitsgas Stickstoff wird in einer gepulsten Hochstromentladung wiederholt ionisiert und kurzzeitig auf Temperaturen von mehreren hunderttausend Grad Celsius aufgeheizt. Ein Teil der so eingekoppelten Energie wird in Form charakteristischer Röntgenstrahlung bei einer Wellenlänge von 2,88 Nanometern abgestrahlt. Die Quelle erreicht eine Strahlstärke von 4 x 10exp13 Photonen/(sr x Puls) für den 1s2-1s2p Übergang von heliumähnlichem Stickstoff. Bei einer Repetitionsrate von 1000 Hz kann unter Verwendung einer angepassten Kollektoroptik ein Photonenfluss von 1 x 10exp7 Photonen/(µm2 x s) auf der Probe erzielt werden. Dieser Fluss ermöglicht mikroskopische Aufnahmen dicker wässriger Proben mit einer Belichtungszeit von etwa zehn Sekunden.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Röntgenoptik der Fachhochschule Koblenz und der ACCEL Instruments GmbH aus Bergisch-Gladbach wurde bereits im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes ein erster Mikroskop-Demonstrator aufgebaut. Durch die Integration einer angepassten Kollektoroptik und durch weitere Steigerung der Brillanz wird im kommenden Jahr eine Lichtquelle für ein kommerzielles tomographiefähiges Röntgenmikroskop erstellt.

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