L’imaging a raggi X visualizza strutture e processi nascosti nelle cellule e negli organismi viventi. La radiazione costituita da onde elettromagnetiche altamente ricche di energia ha però un effetto ionizzante e può danneggiare il materiale genetico. Ciò limita il possibile periodo di osservazione. Mentre le immagini radiografiche convenzionali dei tessuti molli presentano un basso contrasto, i metodi a contrasto di fase producono contrasti di immagine molto migliori con una dose di radiazioni ridotta. Con una risoluzione più elevata, tuttavia, l’imaging delicato diventa sempre più difficile, poiché è necessaria una dose più elevata. Inoltre diminuisce l’efficienza dei rilevatori ad alta risoluzione normalmente utilizzati, con il risultato che l’esposizione alle radiazioni aumenta ulteriormente. Finora, l’imaging a contrasto di fase a raggi X ad alta risoluzione di campioni biologici viventi è stato possibile solo per pochi secondi o minuti, prima che le radiazioni causassero gravi danni.
I ricercatori del Laboratorio per le applicazioni della radiazione di sincrotrone (LAS) del KIT, dell’Istituto per la scienza dei fotoni e della radiazione di sincrotrone e del Physikalisches Institut hanno ora sviluppato un metodo che utilizza la radiazione in modo più efficiente e produce immagini con risoluzione micrometrica. Il metodo è adatto sia per campioni viventi che per materiali sensibili e apre nuove opportunità nella biologia, nella biomedicina e nelle scienze dei materiali. Il nuovo sistema combina il contrasto di fase dei raggi X con una cosiddetta lente di ingrandimento di Bragg e un rilevatore di conteggio dei fotoni.
Immagine radiografica direttamente ingrandita
“Invece di convertire l’immagine a raggi X in un’immagine con luce visibile e ingrandirla successivamente, la ingrandiamo direttamente”, afferma Rebecca Spiecker, ricercatrice del dottorato del LAS. “Grazie a questo approccio, possiamo utilizzare rilevatori di grandi dimensioni altamente efficienti.” I ricercatori utilizzano un rilevatore di conteggio dei fotoni con una dimensione dei pixel di 55 micrometri. Prima l’immagine radiografica del campione viene ingrandita con una cosiddetta lente di Bragg, in modo che la risoluzione del campione vero e proprio raggiunga circa 1 micrometro. La lente di Bragg è composta da due cristalli di silicio perfetti, il cui effetto di ingrandimento risulta dalla diffrazione asimmetrica nel reticolo cristallino di silicio. Un altro grande vantaggio della lente d’ingrandimento Bragg è l’ottima trasmissione ottica dell’immagine. Permette la riproduzione quasi senza perdite di tutte le frequenze spaziali fino al limite di risoluzione.
Vespe parassite osservate per 30 minuti
Grazie alla combinazione del contrasto di fase dei raggi X basato sulla propagazione con una lente di ingrandimento di Bragg e un rilevatore a conteggio di fotoni, tutti ottimizzati per un’energia dei raggi X di 30 kiloelettronvolt (keV), il metodo raggiunge circa il massimo possibile efficienza di dose per il contrasto di fase dei raggi X. Ciò consente tempi di osservazione molto più lunghi di piccoli organismi viventi con risoluzione micrometrica. Insieme a scienziati provenienti da tutta la Germania, i ricercatori hanno dimostrato il metodo in uno studio pilota sulle più piccole vespe parassite. Per più di 30 minuti, hanno osservato le vespe nelle uova ospiti e il modo in cui emergevano da esse. “Il metodo è adatto anche per applicazioni biomediche, ad esempio per l’indagine istologica tridimensionale delicata di campioni bioptici”, afferma Spiecker. I ricercatori ora intendono migliorare ulteriormente la configurazione, ampliare il campo visivo e aumentare la stabilità meccanica per misurazioni ancora più lunghe.
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