Objev rentgenového záření patří bezesporu mezi nejužitečnější objevy v historii. Prvním člověkem, který systematicky prováděl experimenty s tehdy ještě neznámými paprsky X byl Wilhelm Conrad Röntgen. Jeho primitivní zdroj záření byl založen na vakuové trubici připojené na vysoké napětí. Brzděním elektricky nabitých částic vznikalo krátkovlnné elektromagnetické záření. V jistých obměnách se tento princip používá u běžných rentgenů dodnes. Röntgenova odvaha při experimentech byla obdivuhodná. Neváhal ozařovat sebe i svou manželku. Při jednom z jeho pokusů dokonce přiblížil hlavu k vakuové trubici pod napětím a pozoroval záření, které vznikalo jako následek excitace a ionizace atomů v kapalině uvnitř jeho oka. Objev rentgenového záření přinesl okamžitě řadu aplikací v lékařství, biologii, materiálovém inženýrství, ale třeba i v paleontologii. V dnešním bulletinu se zaměříme na zobrazování malých objektů pomocí rentgenových laserů.
|
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Difrakce – ohyb světelných vln při průchodu malým otvorem, na okraji prekážky nebo při interakci s periodickou strukturou (průchod či odraz), například krystalovou mřížkou. Koherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln v daném bodě prostoru konstantní v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. CCD – (Charged Coupled Detector; senzor s nábojově vázanou strukturou) – každý pixel těchto senzorů je tvořen elektrickým kondenzátorem z SiO2. Pod každým z kondenzátorů je vytvořena oblast ochuzená o díry, tzv. potenciálová jáma, ve které se zachycují elektrony generované přicházejícími fotony. Potenciálovou jámu můžeme vytvořit buď přiložením kladného napětí na elektrodu kondenzátoru přivrácenou ke světlu, nebo přidáním polovodičového PN přechodu pod vrstvu SiO2. Z množství elektronů uvízlých v potenciálové jámě se určuje intenzita dopadajícího světla. Nejmenší rozměry jednoho pixelu jsou 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí až 5120×5120 pixelů velkou. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. |
| Zobrazování malých objektů |
Při zobrazování malých objektů dochází k celé řadě problémů, které určují hranice dané metody. V extrémně tenkých objektech řádu mikrometrů zainteraguje jen velmi malý počet z celkového množství prolétávajících fotonů. Výsledným efektem je nízký kontrast obrazu. Dalším omezujícím faktorem je konečná velikost zdroje záření, což způsobí rozmazání ostrých hran objektů. Pomocí klasických projekčních metod se lze dostat s rozlišením na škálu jednotek mikrometrů.
 |
| Klasické projekční metody. Pokud je zdroj záření dostatečně malý a detektor dostatečně vzdálen od vzorku, získáme zvětšený obraz. V opačném případě se projeví rozmazání hran a snížení rozlišení. |
Pokud má vzorek periodickou strukturu, jako například krystalická mřížka, lze využít pro zesílení záření v určitém směru difrakci. Pro snazší pochopení zvolme vlnový popis záření. Jediná elektromagnetická vlna interaguje s několika sousedními atomy v krystalické mřížce. Každý atom se tak chová jako elementární zdroj záření. Vzdálenost mezi atomy zavádí konstantní fázový posuv mezi vlnami vyzařovanými atomy. V určitých směrech lze pozorovat interferenční maxima a minima. Podmínka pro vznik interferenčního maxima je dána Braggovou rovnicí. Analýzou difrakčního obrazce lze získat informace o struktuře krystalové mřížky. Vzdálenost sousedních atomů v mřížce se pohybuje v řádu 0,1 nm.
 |
| Difrakce rentgenového záření na krystalické mřížce. |
Problém nastane, pokud bychom chtěli zkoumat strukturu malých objektů, které nemají periodickou strukturu. Vzorky na rozměrové škále desítek nanometrů není již prakticky možné zobrazit pomocí klasických rentgenů. Řešení nabízejí rentgenové lasery. Zde je možné využít podobné metody jako při zobrazování krystalických mřížek. V předchozích případech jsme měli zdroj nekoherentního záření s náhodným rozdělením fází. Konstantní fázový posuv byl zaveden až vlivem periodické krystalické mřížky, zatímco koherentní záření rentgenového laseru dopadající na vzorek má přesně definované fázové poměry. Průchodem záření skrze vzorek se díky neperiodické struktuře atomů tyto fázové poměry změní. V jistých směrech se záření zesílí (zeslabí) vlivem konstruktivní (destruktivní) interference. Za vzorkem lze zachytit difrakční obrazec, ze kterého je možno zpětně určit strukturu vzorku.
| Zobrazování viru rentgenovým laserem |
Jianwei Miao se svými kolegy z amerických a japonských univerzit provedli experiment, při kterém se pokusili zobrazit myší herpesvirus – 68. Tento virus má rozměr přibližně 200 nm. Vědci využili laseru na bázi volných elektronů (AB 18/2008) na synchrotronu SPring-8 v Japonsku. Energie dopadajících fotonů byla 5 keV (vlnová délka 0,25 nm). Částice viru byly nejprve umrtveny methanolem a poté umístěny na 30 nm tenkou membránu z nitridu křemíku. Jako senzor posloužila dusíkem chlazená CCD kamera. Snímky byly zpracovány pomocí algoritmu GHIO (Guided Hybrid Input Output). Jedná se o iterační metodu. Difrakční obrazec lze interpretovat jako Fourierův obraz skutečného snímku původního vzorku. Pro získání skutečného obrazu již stačí jen provést inverzní Fourierovu transformaci. Není to ale tak jednoduché. CCD kamera nám poskytne totiž pouze informace o amplitudě (tj. počtu zaznamenaných fotonů v jednom pixelu), nikoliv o fázi, která je nezbytná pro získání správného výsledku pomocí inverzní Fourierovy transformace. Prvním krokem GHIO algoritmu je náhodné vygenerování fází. Dalším kokem je mnohonásobné provedení dopředné a zpětné Fourierovy transformace, v jejímž průběhu se postupně snižuje k nule záporná reálná nebo imaginární část signálu. Tímto způsobem lze odstranit signál způsobený vlivem podpůrné membrány (jedná se vlastně o odečtení pozadí).
 |
| Uspořádání experimentu. Svazkem koherentního rentgenového je ozářen vzorek, jehož difrakční obrazec detekuje CCD kamera [1]. |
 |
| Na obrázku a) je difrakční obrazec, který zachytil CCD senzor. Obrázek b) ukazuje výsledný snímek po zpracování obrázku a) pomocí GHIO algoritmu. Zbývající obrázky ukazují srovnání se snímky pořízenými pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (Obr. c) a transmisivního elektronového mikroskopu (Obr. d) [1]. |
 |
| Zrekonstruovaný snímek znázorňující elektronovou hustotu viru (Obr. a). Snímek pořízený mikroskopem atomárních sil. (Obr. b) [1]. |
Pro získání kvalitnějších snímků je třeba velmi krátkého a intenzivního pulzu vysoce koherentního rentgenového záření, které zatím neumíme vyrobit. Nyní je však již ve vývoji nový rentgenový laser XFEL, kde by mělo být dosaženo požadované kvality záření. Zde však nastává problém s radiačním poškozením vzorku. Detektor bude muset stihnout zaznamenat data dříve, než se vzorek vypaří. Částečným řešením může být podchlazení vzorku. V každém případě by záření z XFEL mělo být dostatečně kvalitní pro získání obrázků na úrovni rozměru makromolekul, buněčných struktur nebo proteinů.
[1] Jianwei Miao et al.: Quantitative Imaging of Single, Unstained Viruses with Coherent X-rays.
[2] Edwin Cartlidge: Viruses get X-rayed, Physics World, 2008
[3] Michal Marčišovský: Lasery na báze voľných elektrónov, Aldebaran bulletin 18/2008
Koherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln v daném bodě prostoru konstantní v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout.
Interference – skládání vln z několika zdrojů. V daném místě se sčítají amplitudy vln. Jsou-li v protifázi, dojde k zeslabení výsledné vlny (destruktivní einterferenci). Jsou-li ve fázi, dojde k zesílení výsledné vlny (konstruktivní interferenci). V detekčním přístroji se detekuje intezita vlny, která je kvadrátem amplitudy.
Synchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem.
Elektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT).
Fourierova transformace – rozložení neperiodického signálu do sinů a kosinů, v případě časoprostoru do rovinných vln. Původní signál (vzor) je intergrálem všech parciálních signálů (obrazu).
Foton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = hf, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění.
Elektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností elektronu. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 E. Ruskem.
TEM – Transmisní Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou, následně je na stínítku převeden na viditelné záření a v současnosti nejčastěji převeden CCD kamerou na digitální záznam.
AFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil. Zařízení skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat elektronové orbitaly molekul materiálu. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 G. Binnigem, C. Quatem a C. Gerberem.
XFEL – rentgenový laser, jehož stavba započne v roce 2008, se bude nacházet v blízkosti německého Hamburku a bude mít délku 3,4 km. Půjde o laser na volných elektronech. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přijdou do undulátoru. Jde o speciální magnetickou strukturu, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronní záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvoří extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření.
