Доцент Вонг Лян Цзе (слева) и научный сотрудник доктор Никхил Праманик из NTU Singapore готовят образец для анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией для рентгеновских экспериментов своей исследовательской группы. Команда нашла новый способ получения рентгеновского излучения в «водяном окне», что может сделать рентгеновские аппараты для биовизуализации меньше и удобнее в использовании. (Все фотографии: NTU Singapore)
Рентгеновское излучение с «водяным окном» позволяет исследователям визуализировать биологические клетки с высоким контрастом без использования красителей или других потенциально вредных препаратов. Однако многочисленные проблемы препятствуют его широкому распространению.
Ранее единственным способом получения рентгеновского излучения с изменяющейся энергией, сравнимой с температурой водяного окна, были синхротроны — дорогостоящие установки размером с большой стадион. Большинство небольших настольных приборов могли производить излучение только с фиксированной энергией, а для некоторых требовались высокоинтенсивные лазеры, нуждающиеся в постоянном техническом обслуживании.
Теперь исследователи из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали метод получения рентгеновского излучения с эффектом «водяного окна» различной энергии с помощью одной установки размером с стол. Это прорыв, который может расширить применение данной технологии во всем мире. 1
«По сравнению с синхротроном, наша установка размером со стол имеет потенциально меньший углеродный след, меньшие физические габариты, а также более доступна и дешевле в использовании для исследователей в лабораториях», — говорит доцент Вонг Лян Цзе из Школы электротехники и электроники NTU Singapore, который участвовал в разработке этой технологии.
Чем отличаются рентгеновские снимки с эффектом «водяного окна»?
Рентгеновские лучи, используемые в медицинской диагностике, проходят как через воду, так и через богатые углеродом биомолекулы в клетках, что затрудняет их различение. В отличие от них, рентгеновские лучи, работающие в диапазоне длин волн от 2,3 до 4,4 нанометров (нм), позволяют исследователям четко видеть живые клетки и их структуры. «Это важно в некоторых исследованиях, например, для получения визуальных изображений вирусов, атакующих клетки в реальном времени», — говорит Вонг.
Некоторые исследователи визуализируют клеточные структуры с высоким разрешением с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), которая использует электроны для создания изображений. «Но необходимая подготовка, например, нарезка образцов на ультратонкие срезы, часто означает, что можно использовать только мертвые образцы», — объясняет Вонг. «С помощью рентгеновского излучения с «водяным окном» можно получить изображения живых клеток».
Изготовление настольных рентгеновских снимков с эффектом «водяного окна».
Для получения рентгеновского излучения с «водяным окном» в лаборатории NTU исследователи направляли низкоэнергетические электроны на ультратонкие чешуйки графита толщиной от 10 до 170 нм. Этот метод заряжал атомы графита энергией, заставляя их испускать рентгеновские лучи.
«Атомы графитовых хлопьев были расположены очень упорядоченно, образуя повторяющийся узор, подобный кристаллу», — объясняет Вонг. «Эта структура заставляет их вести себя как массив наноантенн, которые работают вместе, излучая только рентгеновские лучи определенной длины волны в определенном направлении, отфильтровывая при этом излучение других длин волн и направлений».
Вонг и его команда скорректировали свою установку таким образом, чтобы доминирующим излучением стало рентгеновское излучение, создаваемое эффектом «водяного окна». «В нашей установке электроны, направленные на графитовые хлопья, сначала необходимо ускорить», — говорит Вонг. «Но поскольку наша методика требует электронов с низкой энергией, нам не нужно слишком сильно ускорять электроны, поэтому для этого нам потребовалась установка размером примерно со стол».
Вонг говорит, что возможность регулировки параметров установки позволяет использовать тот факт, что различные элементы, такие как углерод и кислород, поглощают рентгеновские лучи с разной энергией, характерные для «водяного окна», в разной степени. Это обеспечивает больший контраст, помогая исследователям легче различать различные биомолекулы и клеточные структуры.
Возможные последствия для исследователей и больниц
После проведения экспериментальных исследований с использованием модифицированных электронных микроскопов исследователи из NTU Singapore сейчас собирают прототип полноценного устройства для получения изображений, чтобы продемонстрировать конкурентоспособные коммерческие результаты.
Вонг считает, что фундаментальные исследования в первую очередь выиграют от настольной рентгеновской установки с водяным окном. «Но патология, разработка лекарств и даже рентгеновская визуализация для небиологических применений, таких как солнечные батареи, аккумуляторы и полупроводники, могут получить наибольшую пользу позже, поскольку это технологии, которые мы используем в повседневной жизни».
Возможно ли в будущем использовать рентгеновские лучи с эффектом «водяного окна» в больничных условиях? «Они были бы бесценны для проведения высокоточных трехмерных биопсий и изучения взаимодействия человеческих клеток с патогенами и вирусами», — говорит Вонг. «Это особенно актуально сегодня, когда изменение климата и глобальное потепление вызывают новые волны вспышек заболеваний».
Однако, по мнению Вонга, достижение этой цели может занять годы. «Для разработки и оптимизации коммерчески жизнеспособного продукта по-прежнему необходимы обширные испытания, инженерные работы и доработка», — говорит он.
Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.