Сотрудники физического факультета МГУ получили патент на элемент микроскопа для рентгеновского излучения, который позволит снимать высококачественные снимки внутренней структуры образцов без необходимости специальной пробоподготовки.
Работа выполнена в рамках деятельности научно-образовательной школы МГУ «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект».
Устройство относится к области рентгенотехники и может быть использовано в качестве основы методов рентгеновской микроскопии, высокоразрешающей томографии, спектроскопии, флуоресцентной спектрометрии, востребованных для решения задач, требующих фокусировки, коллимации или сбора рентгеновского излучения.
Во многих бурно развивающихся областях науки - биологии, химии, медицине или фундаментальной̆ физике - возникает потребность изучения объектов или процессов в нанометровом масштабе. Чаще всего на данный момент эту задачу решают при помощи электронного микроскопа.
Однако работа с электронным микроскопом - непростое занятие: в камере микроскопа необходимо поддерживать вакуум, а сам образец для получения качественной картинки должен быть покрыт тонким слоем металла.
«Это приводит к тому, что исследовать живые образцы, например клетки, при помощи электронного микроскопа крайне затруднительно — “живая” клетка в вакууме может лопнуть из-за внутреннего давления, а попытки ее металлизировать могут повредить клетку или исказить ее форму. Ко всему прочему, электронный пучок может проникнуть в глубину образца всего на несколько микрон, что делает затруднительными исследования внутренней структуры», — рассказал старший научный сотрудник физического факультета МГУ Петров Александр.
Тем не менее изучать маленькие биологические объекты все же необходимо. Для этого можно использовать рентгеновское излучение. Оно может проникать очень глубоко в биологические ткани, а также не требует проведения дополнительных специальных операций с образцом, часто приводящих к его разрушению.
«При создании такого рода микроскопа стоит задача фокусировки рентгеновского излучения. Для этих целей используют системы зеркал, дифракционные пластинки или преломляющую оптику (линзы). У линз для фокусировки рентгеновского излучения есть несколько отличий от линз для видимого диапазона. Во-первых, из-за того, что показатель преломления материала для рентгеновского излучения меньше единицы, линзы для фокусировки должны быть не выпуклыми, а вогнутыми. Во-вторых, поскольку разница показателей преломления у материалов и воздуха очень небольшая (от тысячной до миллионной доли), нужно делать целые массивы из десятков, а то и сотен вогнутых линз, которые расположены в ряд - на одной оптической оси», — добавил Александр Петров.
Такие конструкции называют составными преломляющими рентгеновскими линзами (СПРЛ). На данный момент СПРЛ чаще всего делают из бериллия и кремния в форме двояковогнутых параболоидов вращения методами штамповки или выполняют в кросс-геометрии путем ультрафиолетовой литографии с последующим травлением. Разрешение картинки, полученной на рентгеновском микроскопе, определяется размерами фокусного пятна, то есть поперечными размерами пучка в фокусе.
Для того чтобы изготовить легкие, компактные трансфокаторы с фокусным пятном меньших размеров, можно использовать современные методы 3Д-печати, такие как метод двухфотонной лазерной литографии (2PP). 2РР основана на эффекте «двухфотонного поглощения» – лазер засвечивает резист на длине волны в ближнем ИК-диапазоне, для которого резист прозрачен. В фокальной области интенсивность излучения настолько велика, что становится заметным нелинейный процесс двухфотонного поглощения. В данном процессе происходит одновременное поглощение двух фотонов в ИК-области, эквивалентное поглощению одного фотона с удвоенной частотой, т.е. уже из УФ-диапазона. Так как резист для УФ-излучения прозрачным не является, на данной длине волны происходит поглощение, и резист затвердевает.
Метод 2РР позволяет печатать изделия из фотополимерных смол с разрешением до 100 нм. Причем, поскольку затвердевают только те участки фоторезиста, которые оказались в фокусе лазерного излучения, данный метод позволяет печатать сложные нависающие и самопересекающиеся структуры даже через уже полимеризованный материал. Используя специальные фоторезисты и проводя после печати процедуру отжига, можно изготавливать элементы преломляющей рентгеновской оптики из стойких, стабильных и слабопоглощающих материалов, таких как стеклоуглерод или диоксид кремния. При этом изготавливаемые линзы получаются компактными и легкими.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: Елена Либрик, «Научная Россия»
