Un concept pour un nouveau microscope à rayons X promet des images tridimensionnelles d'objets délicats comme des cellules biologiques en utilisant un rayonnement mille fois moins dommageable que les méthodes conventionnelles. Le nouveau microscope permettrait d'imager des cellules entières à haute résolution dans leur environnement natif, sans geler, les couper ou les tacher. Les scientifiques de DESY Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt et Henry Chapman du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) présentent leur concept dans la revue Optique . L'étude de simulation offre une perspective lumineuse pour la mise à niveau prévue de l'anneau de stockage PETRA III de DESY vers une source de rayons X de nouvelle génération, PÉTRA IV.

L'imagerie des structures des cellules biologiques à l'échelle nanométrique nécessite généralement des rayons X, car leurs courtes longueurs d'onde permettent de résoudre les moindres détails. "Toutefois, Les rayons X déposent également de l'énergie qui endommage rapidement les échantillons biologiques, " dit Villanueva-Perez. La rapidité avec laquelle les dommages causés par les radiations se produisent dépend des caractéristiques de l'objet à l'étude et de l'énergie des rayons X utilisés, mais en pratique, c'est le facteur limitant pour la résolution et la sensibilité des techniques d'imagerie aux rayons X d'aujourd'hui.

Les images radiographiques peuvent être formées par divers moyens. Les radiographies familières des dents ou des os cassés reposent sur l'absorption - l'os dense laisse une ombre sombre sur l'image où les photons des rayons X sont absorbés. Un microscope à rayons X conçu pour l'imagerie des cellules dépend généralement de la diffusion élastique des rayons X dans l'échantillon pour obtenir des images d'une résolution beaucoup plus élevée. Ceci est similaire à la façon dont les images sont formées dans un microscope optique. Bien que la diffusion élastique des rayons X ne transfère aucune énergie, dans tous les microscopes à rayons X construits à ce jour, ces processus de diffusion se produisent beaucoup moins fréquemment que l'absorption réelle. "En réalité, la diffusion ne peut se produire sans qu'une fraction de l'énergie du photon ne se dépose dans l'échantillon, produisant des dommages dus aux radiations, " dit Villanueva-Perez.

Les objets deviennent d'autant moins absorbants que les photons des rayons X sont plus énergétiques. Cependant, des énergies aussi élevées n'ont pas été considérées comme utiles pour la microscopie à haute résolution car la diffusion élastique diminue également et une autre forme de diffusion devient prédominante. Dans ce processus inélastique, également connue sous le nom de diffusion Compton, le rayon X perd une partie de son énergie au profit de l'objet lorsqu'il ricoche sur un atome et change ainsi de longueur d'onde. Cela produit généralement un arrière-plan ou un brouillard sans relief indésirable dans l'image, détériorer la qualité de l'image et de l'échantillon.

L'idée de l'équipe était qu'à des énergies de photons de rayons X très élevées de 64 kiloélectronvolts (keV), il y a beaucoup plus d'événements de diffusion Compton pour une quantité donnée d'énergie déposée dans la cellule que pour la diffusion élastique aux énergies de photons inférieures conventionnelles exploitées par techniques actuelles. Une image détaillée peut ensuite être construite en tramant une tache de rayons X focalisée à travers la cellule et en cartographiant la diffusion totale détectée à chaque emplacement. Étonnamment, l'analyse a montré que la dose pouvait être réduite d'un facteur 1000 pour une résolution donnée. "Personne n'a vraiment pensé à essayer la microscopie biologique à des énergies aussi élevées, " explique Chapman. " Les sources de rayons X suffisamment lumineuses n'existaient pas, il n'y avait aucun moyen de focaliser le faisceau, et il n'y avait pas de détecteurs."

L'équipe a trouvé des solutions à ces défis. L'équipe de Bajt a récemment développé une lentille innovante à partir d'un "métamatériau" multicouche artificiel qui fournit la plus petite focalisation de rayons X jamais réalisée. "L'efficacité de nos lentilles multicouches s'améliore en fait avec l'augmentation de l'énergie, et ils font des taches encore plus petites, " dit Bajt. " Ils sont donc parfaitement adaptés à la construction de notre microscope. "

La source de rayons X PETRA IV, actuellement en phase de planification, fournira des faisceaux d'une luminosité de rayons X beaucoup plus élevée aux énergies photoniques élevées requises qu'il n'est possible aujourd'hui. Cela laisse toujours le détecteur. "Le détecteur idéal doit entourer l'échantillon, collecter tous les photons diffusés dans toutes les directions, " explique Villanueva-Perez. Cela peut être construit en utilisant la technologie d'aujourd'hui. Une fois réalisé, ces ingrédients permettront aux scientifiques de scanner des cellules entières et des organites à une résolution de quelques nanomètres dans les trois dimensions, dans leur état naturel, répondant ainsi à un souhait répandu des biologistes. Jusque là, les scientifiques prévoient de tester leur nouveau concept avec des échantillons biologiques sur les meilleures sources de rayons X actuelles comme PETRA III avec des détecteurs conventionnels.