X선 현미경

X-ray microscope
생후 10일 된 유채꽃 식물의[1] X선 현미경 이미지

X선 현미경은 부드러운 X선 대역의 전자파 방사선을 사용하여 물체의 확대 이미지를 생성합니다.X선은 대부분의 물체를 투과하기 때문에 X선 현미경 관찰을 위해 특별히 준비할 필요가 없다.

가시광선과 달리 X선은 반사되거나 쉽게 굴절되지 않고 인간의 눈에는 보이지 않는다.따라서 X선 현미경은 필름을 노출시키거나 CCD(Charge-Coupled Device) 검출기를 사용하여 시료를 통과하는 X선을 검출합니다.탄소원자(살아있는 전지를 구성하는 주원소)와 산소원자(물의 원소)에 의한 수창 영역(파장: 2.34~4.4nm, 에너지: 280~530eV)의 소프트 X선 흡수 차이를 이용한 조영영상 기술이다.

마이크로포커스 X선도 투영에 의한 고배율을 실현합니다.마이크로포커스 X선관은 초소초점(5μm~0.1μm)에서 X선을 발생한다.X선은 보다 일반적인 X선 범위(20~300 keV)에 있으며 초점이 다시 맞춰지지 않습니다.

발명 및 개발

엑스레이 현미경의 역사는 20세기 초로 거슬러 올라갈 수 있다.1895년 독일 물리학자 뢴트겐이 X선을 발견한 후 과학자들은 곧 X선 점원을 이용해 물체를 비추고 수 마이크로미터의 [2]분해능으로 그 물체의 그림자 이미지를 포착했다.1918년 아인슈타인은 대부분의 매질에서 X선의 굴절률은 [3]1보다 약간 낮아야 한다고 지적했는데, 이는 X선 응용에 굴절 광학 부품을 사용하기 어렵다는 것을 의미한다.

폴 커크패트릭과 앨버트 배즈의 초기 X선 현미경은 방목-침입 반사 X선 광학을 사용하여 포물선 곡선 거울의 X선을 매우 높은 입사 각도로 스쳤다.X선의 초점을 맞추는 다른 방법은 이산화규소 기판 위에 동심원 금 또는 니켈 링으로 이루어진 작은 프레넬 존 플레이트를 사용하는 것입니다.Lawrence Bragg 경은 1940년대 후반에 그의 장비로 최초의 사용 가능한 X-ray 이미지 중 일부를 만들었습니다.

간접 구동식 레이저 관성 구속 융접은 내부 표면의 양쪽에서 레이저 원뿔을 조사하여 내부의 융접 마이크로 캡슐을 매끄러운 고강도 X선으로 세척합니다.후라움을 투과하는 가장 높은 에너지 X선은 X선 현미경을 사용하여 시각화할 수 있다. 여기서 X선은 주황색/빨간색으로 표시된다.

1950년대에 스털링 뉴베리는 시료를 선원과 표적 플레이트 사이에 놓는 그림자 X선 현미경을 생산했고, 이는 제너럴 일렉트릭 컴퍼니의 첫 번째 상용 X선 현미경의 기초가 되었다.

1960년대 침묵기를 거쳐 1970년대 들어 엑스레이 현미경이 사람들의 관심을 되찾았다.1972년 호로위츠와 하웰은 캠브리지 전자 가속기에서 [4]최초의 싱크로트론 기반 X선 현미경을 만들었다.이 현미경은 작은 핀홀의 싱크로트론 방사선을 이용하여 샘플을 스캔하여 투과와 형광 현미경의 능력을 보여주었다.이 시기에는 [5]아오키 사다오와 기쿠타 세이시의 일본 최초의 홀로그래픽 시연, 슈말 [6]등의 존 플레이트를 이용한 최초의 TXM, STXM에서의 [7][8]스토니브룩의 실험 등이 있다.

싱크로트론 광원의 사용은 1980년대에 X선 현미경에 새로운 가능성을 가져왔다.그러나 싱크로트론 기반의 새로운 현미경이 여러 그룹으로 만들어지면서 사람들은 당시 조도가 낮은 조명, 품질이 낮은 X선 광학 소자, 사용자 친화적이지 않은 광원 [9]등 기술 역량이 부족했기 때문에 그러한 실험을 하기 어렵다는 것을 깨달았다.

1990년대에 들어서면서 새로운 기구와 광원이 X선 현미경의 발전을 크게 촉진시켰다.단층 촬영, 저온 촬영, 저온 촬영 등 현미경 촬영 방법이 성공적으로 시연되었습니다.급속한 발전으로, X선 현미경은 토양 과학, 지구 화학, 폴리머 과학, 그리고 자기 분야에서 새로운 응용 분야를 발견했어요.하드웨어도 소형화 되어 연구원들이 자신의 [9]실험실에서 실험을 할 수 있게 되었다.

초점 약 10μm × 10μm에서 X선 위상 대비 현미경용 9.25keV X선의 초고강도 선원은 집속 전자선 및 액체 금속 양극을 사용하는 비동기식 X선 선원으로 얻을 수 있다.이것은 2003년에 입증되었고 2017년에는 약 1입방 마이크로미터의 복셀 크기로 마우스 뇌를 촬영하는 데 사용되었다([10]아래 참조).

응용 분야가 계속 성장함에 따라 X선 현미경은 환경 및 토양 과학, 지질 및 우주 화학, 폴리머 과학, 생물학, 자기, 재료 과학에서 사용되는 일상적이고 입증된 기술이 되었습니다.이러한 분야에서 X선 현미경에 대한 수요가 증가하면서 싱크로트론, 액체 금속 양극, 그리고 다른 실험실 광원을 기반으로 한 현미경이 전 세계적으로 만들어지고 있다.X선 광학 및 부품 [9]상용화도 빠르게 진행되고 있다.

인스트루먼트

강철 케이스에 실장되어 진공챔버와 X선 현미경 사이의 창으로 사용되는 각형 베릴륨박.베릴륨은 Z 수치가 낮기 때문에 X선에 매우 투명합니다.

X선 광학

주요 기사: X선 광학

싱크로트론 광원

주요 기사:싱크로트론 광원

고도의 광원

캘리포니아 버클리 소재의 Advanced Light Source(ALS; 어드밴스드 광원)는 XM-1의 본거지입니다.XM-1은 X선광학센터가 운영하고 있으며 나노자기재료, 환경재료과학, 생물학 등 현대 나노과학 분야의 다양한 응용 분야에 전념하고 있습니다.XM-1은 광학 현미경과 같은 방법으로 X선을 CCD에 초점을 맞추기 위해 X선 렌즈를 사용한다.XM-1은 15nm까지 플레넬 존 플레이트와 함께 공간 분해능 세계 기록을 보유하고 있으며, 예를 들어 초고속 스핀 역학을 연구하기 위해 높은 공간 분해능과 100ps 미만의 시간 분해능을 결합할 수 있다.2012년 7월, DESY의 한 그룹은 PETRA [11]III의 하드 X선 스캐닝 현미경을 사용하여 10nm의 공간 분해능을 기록했다.

ALS는 또한 생물학 및 생물의학 연구를 위해 설계된 세계 최초의 소프트 X선 현미경의 본거지이기도 하다.이 새로운 기구인 XM-2는 국립 X선 단층 촬영 센터의 과학자들에 의해 설계되고 제작되었다. XM-2는 세포의 3차원 단층 촬영을 할 수 있다.

액체 금속 양극 X선원

약 10 um x 10 um의 초점으로부터 X선 위상 대비 현미경을 위한 9.25 keV X선(갤륨 K-알파선)의 초고강도 선원은 액체 금속 갈인스탄 양극을 사용하는 X선 선원으로 얻을 수 있다.이것은 [10]2003년에 증명되었다.금속은 노즐에서 빠른 속도로 아래로 흘러내리고 고강도 전자원은 노즐에 집중됩니다.금속의 빠른 흐름은 전류를 전달하지만 물리적 흐름은 (강제-결막 열 제거로 인해) 많은 양의 양극 가열을 방해하고 갈린스탄의 높은 끓는점은 양극의 기화를 억제합니다.이 기술은 약 1입방 마이크로미터 [12]복셀 크기로 생쥐의 뇌를 3차원으로 촬영하는 데 사용되어 왔다.

검출 장치

주요 기사: X선 검출기

스캔 전송

싱크로트론 방사선원 등 현미경에 적합한 연질 X선원은 필요한 파장의 밝기가 상당히 낮기 때문에 화상 형성 방법으로는 주사 투과 연질 X선 현미경을 들 수 있다.여기서 X선은 한 점에 초점을 맞추고 샘플은 생성된 초점을 통해 기계적으로 스캔됩니다.각 지점에서 투과된 X선은 비례 카운터 또는 눈사태 포토다이오드 등의 검출기를 사용하여 기록된다.이런 유형의 주사 투과 X선 현미경(STXM)은 스토니브룩 대학의 연구진에 의해 처음 개발되었으며 브룩헤븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원에 사용되었다.

결의안

X선 현미경의 분해능은 광학 현미경과 전자 현미경의 분해능 사이에 있습니다.기존 전자현미경보다 자연 상태에서 생체시료를 볼 수 있다는 장점이 있다.전자현미경법은 나노미터로 화질 이하의 분해능까지 이미지를 얻는 데 널리 쓰이지만 시료를 화학적으로 고정하고 탈수시킨 뒤 수지에 묻힌 뒤 초박형으로 잘라내야 하기 때문에 상대적으로 두꺼운 살아있는 세포를 관찰할 수 없다.그러나 저온 전자 현미경 검사는 비록 물 얼음에 내장되어 있지만 수화된 자연 상태에서 생물학적 표본을 관찰할 수 있도록 한다는 점을 언급해야 한다.지금까지는 싱크로트론에서 방출되는 연질 X선을 이용해 이미지를 형성하는 프레넬 존 플레이트 렌즈를 이용해 30나노미터의 해상도를 낼 수 있었다.최근에는 싱크로트론 방사선이 아닌 레이저로 생성된 플라스마에서 방출되는 연질 X선을 사용하는 것이 인기를 끌고 있다.

분석.

또한 X선은 대부분의 물질에서 형광을 유발하며, 이러한 방출을 분석하여 이미징된 물체의 화학 원소를 결정할 수 있습니다.또 다른 용도는 X선 결정학에서 사용되는 과정인 회절 패턴을 생성하는 것입니다.회절 패턴의 내부 반사를 분석함으로써 결정의 3차원 구조는 분자 내의 개별 원자의 위치까지 결정될 수 있다.샘플이 너무 작아서 다른 방법으로 분석할 수 없기 때문에 이러한 분석에 X선 현미경을 사용하는 경우가 있습니다.

생물학적 응용 프로그램

생물학에서 X선 현미경의 초기 응용 분야 중 하나는 1913년 고비가 개척한 접촉 이미징이었다.이 기술에서는 부드러운 X선이 검체에 조사되고 검체 아래에 있는 X선에 민감한 유화액을 노출시킵니다.다음으로 시료의 X선 불투명도 맵에 대응하는 유화물의 확대 단층 화상을 광현미경 또는 전자현미경으로 기록한다.전자 현미경 검사보다 X선 접촉 영상이 제공하는 독특한 장점은 젖은 생물학적 물질을 촬영할 수 있다는 것입니다.따라서, 그것은 식물, 곤충, 그리고 인간 세포의 미세 및 나노 규모의 구조를 연구하는데 사용되었다.그러나 유화 왜곡, 낮은 조명 조건, 낮은 해상도의 유화 검사 방법 등 여러 가지 요인이 접촉 이미징의 해상도를 제한합니다.유화 및 회절 효과의 전자 손상도 최종 [13]영상에 아티팩트를 초래할 수 있습니다.

X선 현미경은 나노 해상도와 높은 투과력이라는 점에서 생물학 연구에 필요한 독특한 장점이 있다.기구와 초점에서의 최근 중요한 진보로,[14] 굴절광학의[17] 세 가지 [15][16]고전적인 형태인 굴절광학이 모두 X선 범위로 성공적으로 확장되었고 세포 및 세포 하위 척도의 구조와 역학을 조사하는 데 사용되었다.2005년 샤피로 외 연구진은 일관된 연 X선 회절 [18]현미경을 사용하여 30nm 분해능의 효모 세포 이미징을 보고했다.2008년에는 미확정 바이러스의 X선 영상이 [19]실증되었다.1년 후, X선 회절은 인간 염색체의 [20]3차원 구조를 시각화하기 위해 추가로 적용되었다.따라서 X선 현미경은 기존의 빛 현미경의 회절 한계를 우회하는 뛰어난 능력을 보여주었지만, 더 이상의 해상도 향상은 검출기 픽셀, 광학 기기 및 소스 크기에 의해 제한된다.

X선 현미경의 오랜 주요 관심사는 방사선 손상이다. 고에너지 X선은 강한 라디칼을 생성하고 젖은 시료에서 유해한 반응을 유발하기 때문이다.그 결과 생물학적 샘플은 보통 고출력 X선을 조사하기 전에 고정화 또는 동결건조된다.온전한 수화 구조를 [21]보존하기 위해 급속 저온 처리도 일반적으로 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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