13.12.2023

Schonender Röntgenblick in winzige lebende Proben

Neues System liefert Bilder mit mikrometergenauer Auflösung bei möglichst geringer Strahlendosis.

Ein neues System zur Röntgenbildgebung, das sich für lebende Proben, aber auch für empfindliche Materialien eignet, haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie zusammen mit Partnern in ganz Deutschland entwickelt. Mit ihm wird es möglich, Bilder mit mikrometergenauer Auflösung bei möglichst geringer Strahlendosis aufzunehmen. In einer Pilotstudie erprobten die Forschenden das Verfahren an lebenden parasitischen Wespen und konnten diese über dreißig Minuten lang beobachten.

Abb.: Lebende Organismen lassen sich mit dem neuen Verfahren detailliert über...
Abb.: Lebende Organismen lassen sich mit dem neuen Verfahren detailliert über längere Zeit beobachten – hier eine parasitische Trichogramma-Wespe, die sich im Ei einer Getreidemotte entwickelt hat und sich daraus befreit.
Quelle: R. Spiecker, KIT

Röntgenbildgebung kann verborgene Strukturen und Prozesse in lebenden Zellen und Organismen sichtbar machen. Die Strahlung wirkt allerdings ionisierend und kann das Erbgut schädigen. Das schränkt den möglichen Beobachtungszeitraum ein. Konventionelle Röntgenaufnahmen liefern bei weichem Gewebe nur geringen Kontrast. Phasenkontrastmethoden hingegen erlauben es, deutlich stärkere Bildkontraste zu erzeugen und die Strahlendosis zu reduzieren. Mit zunehmender Auflösung wird eine schonende Abbildung jedoch immer schwieriger, da eine höhere Dosis benötigt wird. Zudem nimmt die Effizienz von üblicherweise eingesetzten hochauflösenden Detektoren ab, wodurch sich die Strahlenbelastung weiter erhöht. Bislang ist die hochauflösende Röntgen-Phasenkontrast-Darstellung lebender biologischer Proben nur für einige Sekunden bis Minuten möglich, bevor es zu schweren Strahlenschäden kommt.

Die Forscher des KIT haben jetzt ein Verfahren entwickelt, das die Strahlung noch effizienter einsetzt und mikrometergenau aufgelöste Bilder liefert. Es eignet sich sowohl für lebende Proben als auch für empfindliche Materialien und eröffnet neue Möglichkeiten für Biologie, Biomedizin und Materialwissenschaften. Das neue System kombiniert Röntgen-Phasenkontrast mit einem Bragg-Mikroskop und einem photonenzählenden Detektor.

„Statt das Röntgenbild in ein Bild mit sichtbarem Licht umzuwandeln und es anschließend zu vergrößern, vergrößern wir es direkt“, erklärt Rebecca Spiecker vom KIT. „Dieser Ansatz erlaubt es uns, hocheffiziente großflächige Detektoren einzusetzen.“ Die Forscher verwenden einen photonenzählenden Detektor mit einer Pixelgröße von 55 Mikrometern. Zuvor wird das Röntgenbild hinter der Probe mit einem Bragg-Mikroskop vergrößert, wodurch für die Probe selbst eine Auflösung von etwa einem Mikrometer erreicht wird. Das Bragg-Mikroskop besteht aus zwei perfekten Siliziumkristallen, die eine Vergrößerung durch asymmetrische Beugung am Kristallgitter des Siliziums bewirken. Ein weiterer großer Vorteil des Bragg-Mikroskops besteht in seiner sehr günstigen optischen Bildübertragung. Sie ermöglicht es, alle Ortsfrequenzen bis zur Auflösungsgrenze nahezu verlustfrei abzubilden.

Durch die Kombination von propagationsbasiertem Röntgen-Phasenkontrast mit dem Bragg-Mikroskop und dem photonenzählenden Detektor, alle für eine Röntgenenergie von dreißig Kilo-Elektronenvolt optimiert, erreicht das Verfahren nahezu die maximal mögliche Dosiseffizienz für Röntgen-Phasenkontrast. Das gestattet wiederum deutlich längere Beobachtungszeiten bei einer mikrometergenauen Bildauflösung kleiner lebender Organismen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus ganz Deutschland demonstrierten das KIT-Team das Verfahren in einer Pilotstudie an winzigen parasitischen Wespen. Mehr als dreißig Minuten lang beobachteten sie jeweils die Wespen in ihren Wirtseiern und wie sie sich aus diesen befreien.

„Die Methode eignet sich auch für biomedizinische Anwendungen, beispielsweise zur schonenden dreidimensionalen histologischen Untersuchung von Proben bei Biopsien“, sagt Spiecker. In Zukunft wollen die Forscher den Aufbau weiter verbessern, um beispielsweise das Gesichtsfeld zu vergrößern und die mechanische Stabilität für noch längere Messungen weiter zu steigern.

KIT / RK


Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Virtuelle Jobbörse

Virtuelle Jobbörse
Eine Kooperation von Wiley-VCH und der DPG

Virtuelle Jobbörse

Innovative Unternehmen präsentieren hier Karriere- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ihren Berufsfeldern.

Die Teilnahme ist kostenfrei – erforderlich ist lediglich eine kurze Vorab-Registrierung.

Meist gelesen

Themen