Spécimens biologiques imagés aux rayons X sans dommage
Une technique révolutionnaire utilisant un nouveau type de lentille de focalisation permet de dépasser les limites de l'imagerie à rayons X.
Un grain de pollen montrant la nanomousse à l'intérieur ou une diatomée avec les structures géométriques individuelles à l'intérieur clairement visibles : En utilisant les rayons X à haute énergie de la source de lumière synchrotron PETRA III de DESY, une équipe dirigée par Saša Bajt et Henry Chapman, scientifiques au CFEL, a réussi à obtenir des images de ces structures sans les endommager. Leur nouvelle technique permet d'obtenir des images radiographiques à haute résolution de matériel biologique séché qui n'a pas été congelé, enrobé ou modifié au préalable, tout cela en n'endommageant que très peu l'échantillon. Cette méthode, qui est également utilisée pour scanner les bagages dans les aéroports, permet de générer des images du matériel avec une résolution de l'ordre du nanomètre. Utilisant des rayons X de haute énergie qui sont intensément focalisés à travers un ensemble de lentilles diffractives inédites, la technique spéciale permet de réaliser des images à moins de 1 % du seuil d'endommagement de l'échantillon par les rayons X. Les résultats, qui révèlent que cette méthode peut être utilisée avec une grande précision, sont présentés dans le tableau ci-dessous. Les résultats, qui révèlent que cette méthode est un outil prometteur pour les sources lumineuses plus brillantes de la prochaine génération, telles que le projet de modernisation PETRA IV, ont été publiés dans la revue Light : Science & Applications.
De gauche à droite : un grain de pollen collecté à DESY, une diatomée et une cyanobactérie, tous imagés à l'aide de la microscopie de diffusion Compton des rayons X à PETRA III. Ces micrographies, qui atteignent une résolution de 70 nanomètres, ont pu être prises sans endommager les échantillons originaux grâce à l'utilisation de photons à haute énergie hautement focalisés par de nouvelles lentilles personnalisées. Avec la source lumineuse PETRA IV prévue, ces images pourraient être encore plus détaillées, avec des détails structurels plus fins, ainsi que des perspectives tridimensionnelles.
DESY/CFEL
La lumière des rayons X interagit avec le matériel biologique de diverses manières, principalement en fonction de l'énergie et de l'intensité de la lumière. Dans le même temps, les dommages causés par les rayonnements, tels que de petites modifications structurelles jusqu'à la dégradation complète de l'échantillon, constituent le facteur limitant de l'imagerie par rayons X des échantillons biologiques. À faible énergie, les rayons X sont principalement absorbés par les atomes de l'échantillon, dont les électrons absorbent l'énergie, ce qui les fait jaillir des atomes et endommage l'échantillon. Les images réalisées à l'aide de ces rayons X de faible énergie montrent donc l'absorption du rayonnement par l'échantillon. À des énergies plus élevées, l'absorption est moins probable et un processus appelé diffusion élastique se produit, dans lequel les photons de rayons X "rebondissent" sur la matière comme des boules de billard sans déposer leur énergie. Des techniques telles que la cristallographie ou la ptychographie utilisent cette interaction. Néanmoins, l'absorption peut toujours se produire, ce qui signifie que l'échantillon est tout de même endommagé. Mais il existe une troisième interaction : La diffusion Compton, où les rayons X ne laissent qu'une infime partie de leur énergie dans le matériau cible. La diffusion Compton avait été largement ignorée en tant que méthode viable de microscopie à rayons X, car elle nécessite des énergies de rayons X encore plus élevées, pour lesquelles il n'existait jusqu'à présent aucune lentille à haute résolution appropriée.
"Nous avons utilisé la diffusion Compton et nous avons découvert que la quantité d'énergie déposée dans un échantillon par nombre de photons que l'on peut détecter est plus faible qu'avec ces autres méthodes", explique M. Chapman, scientifique de premier plan à DESY, professeur à l'université de Hambourg et inventeur de différentes techniques de rayons X aux synchrotrons et aux lasers à électrons libres.
L'avantage d'une faible dose dans l'échantillon a constitué un défi pour la fabrication de lentilles adaptées. Les rayons X à haute énergie traversent tous les matériaux et sont difficilement réfractés, ou courbés, comme cela est nécessaire pour la focalisation. Bajt, qui est chef de groupe au CFEL, a dirigé les efforts visant à développer un nouveau type de lentille réfractive, appelée lentille de Laue multicouche. Ces nouvelles optiques comprennent plus de 7 300 couches alternées de carbure de silicium et de carbure de tungstène, d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre, que l'équipe a utilisées pour construire un élément optique holographique suffisamment épais pour focaliser efficacement le faisceau de rayons X.
En utilisant ce système de lentilles et la ligne de faisceau PETRA III P07 à DESY, l'équipe a imagé une variété de matériaux biologiques en détectant les données de diffusion Compton lorsque l'échantillon passait à travers le faisceau focalisé. Ce mode de microscopie à balayage nécessite une source très brillante - plus elle est brillante, mieux c'est - qui est focalisée sur un point qui définit la résolution de l'image. PETRA III est l'une des installations de rayonnement synchrotron au monde qui est suffisamment brillante à des énergies de rayons X élevées pour pouvoir acquérir des images de cette manière dans un temps raisonnable. La technique pourrait atteindre son plein potentiel avec l'installation PETRA IV prévue.
Pour tester la méthode, l'équipe a utilisé comme échantillons une cyanobactérie, une diatomée et même un grain de pollen collecté directement à l'extérieur du laboratoire ("un spécimen très local", s'amuse Bajt), et a obtenu une résolution de 70 nanomètres pour chacun d'entre eux.
En outre, si l'on compare les images obtenues à partir d'un échantillon de pollen similaire à l'aide d'une méthode conventionnelle d'imagerie par diffusion cohérente à une énergie de 17 keV, la microscopie Compton à rayons X a permis d'obtenir une résolution similaire avec une dose de rayons X 2000 fois inférieure. "Lorsque nous avons réexaminé les échantillons à l'aide d'un microscope optique après l'expérience, nous n'avons pu voir aucune trace de l'endroit où le faisceau était entré en contact avec eux", explique-t-elle, ce qui signifie qu'il n'y a pas eu de dommages causés par les rayonnements.
"Ces résultats pourraient être encore meilleurs", ajoute Mme Chapman. "Idéalement, une expérience de ce type devrait utiliser un détecteur sphérique, car les rayons X qui sortent de l'échantillon vont dans toutes les directions à partir de l'échantillon. En ce sens, c'est un peu comme une expérience de collision en physique des particules, où il faut collecter des données dans toutes les directions.
En outre, M. Chapman a souligné que l'image de la cyanobactérie est relativement dépourvue de caractéristiques par rapport aux autres. Toutefois, les données indiquent qu'à une luminosité plus élevée, comme celle de la mise à niveau prévue de PETRA IV, les organites individuels et même les structures en trois dimensions deviendraient visibles - jusqu'à une résolution de 10 nm - sans que les dommages ne posent problème. "En réalité, la seule limite de cette technique n'était pas la nature de la technique elle-même, mais plutôt la source, c'est-à-dire sa luminosité", explique M. Bajt.
Avec une source plus lumineuse, la méthode pourrait alors être utilisée pour l'imagerie de cellules ou de tissus entiers non sectionnés, en complément de la cryo-microscopie électronique et de la microscopie optique à super-résolution, ou pour le suivi de nanoparticules à l'intérieur d'une cellule, par exemple pour l'observation directe de l'administration d'un médicament. Les caractéristiques de la diffusion Compton rendent cette méthode idéale pour des utilisations non biologiques également, comme l'examen de la mécanique de la charge et de la décharge des batteries.
"Il n'y a encore rien de comparable à cette technique dans la littérature", déclare M. Bajt, "il y a donc beaucoup à explorer à l'avenir".
Des chercheurs de DESY, du CFEL, du pôle d'excellence CUI (Hamburg Centre for Ultrafast Imaging) de l'université de Hambourg et de l'université de Lund en Suède ont participé à l'expérience.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Dose-efficient Scanning Compton X-ray Microscopy; Tang Li, Lukas Dresselhaus, Nikolay Ivanov, Mauro Prasciolu, Holger Fleckenstein, Oleksander Yefanov, Wenhui Zhang, David Pennicard, Ann-Christin Dippel, Olof Gutowski, Pablo Villanueva-Perez, Henry N. Chapman, Saša Bajt; „Light: Science & Applications“, 2023
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