Рентгеновская микроскопия.

Радикального улучшения пространственного разрешение можно добиться путём использования рентгеновского микроскопа (длина волны мягкого рентгеновского излучения равна 2-5 нм). Степень прозрачности образца в рентгеновском диапазоне определяется его толщиной, плотностью и атомным номером исследуемого материала. Рис. 35 демонстрирует типичные значения коэффициента поглощения рентгеновского излучения. Источники рентгена многочисленны и разнообразны: от массивных ускорителей частиц до небольших портативных источников излучения в настольных микротомографах. Рентгеновское излучение обычно получают бомбардируя электронами мишень из материала с высоким атомным номером Z. Типичная рентгеновская электронно-лучевая трубка приведена на рис. 36.

По сравнению с электронами мягкое рентгеновское излучение проникает в образец значительно глубже, до 10 мкм, что в биологии соответствует толщине клетки. Взаимодействуя с веществом, мягкий рентген позволяет получать при атмосферном давлении контрастное изображение биологических объектов, не требуя их искусственного окрашивания. Контраст может определяться как отдельными химическими элементами, так и химическими соединениями. Единственным источником мягких рентгеновских лучей являются ускорители элементарных частиц. Элементарные частицы, движущиеся по круговым орбитам, излучают так называемое синхротронное излучение, представляющее собой мягкий рентген.

Большинство просвечивающих рентгеновских микроскопов рассчитано на синхротронный источник излучения высокой мощности, обеспечивающий краткое время экспозиции. Однако имеются и настольные системы, использующие мягкое рентгеновское излучение с разрешением менее 100 нм. На рис. 37 приведена схема установки, в которой используется система капельных мишеней. Импульсное излучение продолжительностью 100 пикосекунд с частотой 10 Гц, генерируемое Nd-YAG лазером, фокусируется на капли этанола диаметром 15 мкм, выбрасываемые из стеклянного капилляра, вибрирующего под воздействием пьезоэлектрического устройства. Производимая лазером плазма действует как источник рентгеновского излучения высокой яркости. Для обеспечения достаточной плотности фотонов в предметной плоскости необходим высокоэффективный оптический конденсор. В данной системе рентгеновские лучи на образец фокусирует многослойное сферическое конденсорное зеркало. На поверхность зеркала напылено двести слоёв W/B₄C, расположенных на расстоянии 3,37 нм друг от друга, что обеспечивает интерференционное отражение перпендикулярно направленному пучку. Коэффициент отражения каждого слоя равен 0,5% при длине волны 3, 37 нм. Центральная диафрагма, помещённая над источником излучения, не пропускает из плазмы прямые лучи (которые привели бы к перегрузке оптической ПЗС-матрицы). ПЗС-матрица имеет 1024´1024 пикселей и представляет собой охлаждаемую тонкую пластинку. Степень увеличения системы зависит от расстояния между зонной пластинкой и ПЗС-матрицей. Разрешающая способность данного микроскопа составляет менее 60 нм. Для получения наилучших результатов образец должен быть тонким (толщиной не более нескольких микрон).

Появление конфокальных оптических микроскопов позволило изучать объём полупрозрачных материалов (на глубине в десятки микрон). Однако даже в случае прозрачных материалов глубина проникновения ограничена рабочим расстоянием объектива. Естественным средством более глубокого проникновения в материал является рентген. Использование рентгена резко увеличивает глубину проникновения по сравнению с видимым светом, что позволяет изучать значительно больший объём образца.

На рис. 36 приведена схема типичного источника рентгеновских лучей. Из катода вылетают электроны, которые ускоряются электрическим полем до высоких скоростей и ударяются о мишень-анод. Когда мишень (обычно её делают из вольырама) бомбардируют электронами высокой энергии, она испускает рентгеновские лучи в широком диапазоне длин волн. При прохождении через вещество рентгеновских лучей они вызывают те же явления, что и свет, например, дифракцию, преломление и флуоресценцию.

Разработка рентгеновских микроскопов затруднена малой длиной волны. Во-первых, рентгеновские волны плохо отражаются, и поэтому их не удаётся фокусировать зеркалами. Во-вторых, в этом диапазоне длин волн для большинства материалов показатель преломления очень близок к единице. Как следствие, тонкие линзы для рентгеновских лучей имеют очень большое фокусное расстояние, что практически исключает использование линз. Для фокусировки рентгеновских лучей используют зонные пластинки Френеля, состоящие из концентрических колец и работающие благодаря дифракции, а не преломлению. В настоящее время разработаны микроскопы, работающие на этом принципе.