Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mini-Röntgenquelle mit Laserlicht

14.08.2015

Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der TU München haben ein Verfahren aus lasergenerierter Röntgenstrahlung und Phasenkontrast-Röntgentomographie entwickelt, mit dem sie Weichteil-Strukturen in Organismen dreidimensional darstellen.

Mit Laserlicht haben Münchner Physiker eine Miniatur-Röntgenquelle gebaut. Damit haben die Forscher vom Labor für Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität München erstmals mit Hilfe von lasererzeugter Röntgenstrahlung feinste Strukturen im Körper eines Lebewesens dreidimensional aufgenommen.


Das weltweit erste Bild einer Fliege, die mit einem rein lasergestützten Phasenkontrast-Röntgentomographie-Bildverfahren aufgenommen wurde. Zusammengesetzt ist es aus rund 1500 Einzelbildern.

Foto: Karsch/Pfeiffer

Mit der lichtgetriebenen Strahlung in Kombination mit der Phasenkontrast-Röntgentomographie machten die Wissenschaftler feinste Details einer nur wenige Millimeter großen Fliege sichtbar. Bis heute wird eine vergleichbare Strahlung in kilometergroßen, teuren Ringbeschleunigern erzeugt.

Das lasergetriebene System in Kombination mit der Phasenkontrast-Röntgentomographie zur Darstellung von Weichteilen beansprucht gerade mal ein Universitätslabor. In künftigen medizinischen Anwendungen könnte das neue Bildgebungsverfahren damit kostengünstiger und platzsparender als heutige Technologien zum Einsatz kommen.

Selbst feinste Härchen auf den Flügeln einer winzigen Fliege werden sichtbar, wenn die Physiker um Prof. Stefan Karsch und Prof. Franz Pfeiffer ein Insekt mit Röntgenlicht durchleuchten. Das Experiment hat Pioniercharakter.

Denn erstmals haben die Wissenschaftler ihre Technik zur Erzeugung von Röntgenstrahlung aus Laserpulsen gekoppelt mit der sogenannten Phasenkontrast-Röntgentomographie, mit der man Gewebe in Organismen darstellen kann. Herausgekommen ist eine dreidimensionale Ansicht des Tieres, die ungeahnte Details sichtbar gemacht hat.

Die dazu notwendigen Röntgenstrahlen wurden über Elektronen erzeugt, die von rund 25 Femtosekunden langen Laserpulsen auf einer Strecke von rund einem Zentimeter fast bis auf Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Eine Femtosekunde dauert ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Die Laserpulse hatten eine Leistung von rund 80 Terawatt (80x10^12 Watt). Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über 1500 Megawatt (1,5x10^9 Watt).

Zunächst pflügt der Laserpuls durch ein Plasma, bestehend aus positiv geladenen Atomrümpfen und deren Elektronen, wie ein Schiff durchs Wasser und erzeugt dabei eine Kielwelle, die aus schwingenden Elektronen besteht. Diese Elektronenwelle zieht eine wellenförmig elektrische Feldstruktur nach sich, auf der Elektronen surfen und dadurch beschleunigt werden. Dabei kommen die Teilchen ins Schlingern und emittieren Röntgenstrahlung.

Jeder Lichtpuls erzeugt einen Röntgenpuls. Die erzeugte Röntgenstrahlung hat spezielle Eigenschaften: Sie hat eine Wellenlänge von rund 0,1 Nanometer, eine Dauer von nur ca. fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, sie scheint von einem Punkt auszugehen.

Die lasergetriebene Röntgenstrahlung kombinierten die Forscher erstmals mit dem Phasenkontrast-Bildgebungsverfahren des Teams von Prof. Franz Pfeiffer von der TU- München. Dabei nutzt man, im Gegensatz zur üblichen Absorption, die Brechung der Strahlung an Objekten, um deren Form exakt abzubilden. So wird auch weiches Gewebe sichtbar. Damit dies funktioniert, ist die oben erwähnte räumliche Kohärenz Voraussetzung.

Mit diesem lasergestützten Bildgebungsverfahren sind die Forscher in der Lage, Strukturen von ca. 1/10 bis 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares sichtbar zu machen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit dreidimensionale Abbildungen eines Objekts zu erschaffen und so quasi in dessen Körper einzutauchen.

Denn nach jedem Röntgenstrahlungspuls, also nach jedem Einzelbild, kann das zu untersuchende Objekt ein Stück gedreht werden. So entstanden beispielsweise von der Fliege rund 1500 Einzelbilder, die dann zu einem 3D-Datensatz zusammengesetzt werden konnten.

Aufgrund der Kürze der Röntgenpulse kann diese Technik in Zukunft auch ultraschnelle Vorgänge auf der Femtosekunden-Zeitskala, wie sie etwa in Molekülen vorkommen, erschließen, quasi also durch Belichtung mit einem Femtosekunden-Blitzlicht.

Vor allem aber interessant wird die Technologie für medizinische Anwendungen. Denn sie ist in der Lage, Unterschiede in der Dichte von Gewebe sichtbar zu machen. Tumorgewebe etwa haben eine geringere Dichte als gesundes Gewebe.

Damit bietet das Verfahren eine großartige Perspektive Tumore, die kleiner als ein Millimeter sind, lokal in ihrem Frühstadium aufzuspüren, bevor sie in den Körper streuen und ihre tödliche Wirkung entfalten. Dazu müssen die Forscher jedoch die Wellenlänge der Röntgenstrahlung noch weiter verkürzen, um dickere Gewebeschichten als bisher durchdringen zu können.
Thorsten Naeser

Originalpublikation:
J. Wenz, S. Schleede, K. Khrennikov, M. Bech, P. Thibault, M. Heigoldt, F. Pfeiffer und S. Karsch, Quantitative X-ray phase-contrast microtomography from a compact laser-driven betatron source
Nature Communications, 20.Juli 2015, doi: 10.1038/ncomms8568

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Stefan Karsch
Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München
Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Tel.: 089 32905 242
Email: stefan.karsch@mpq.mpg.de
www.attoworld.de  , www.lex-photonics.de 

Prof. Franz Pfeiffer
Technische Universität München, Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching b. München
Tel.: 089 289 10807
Email: franz.pfeiffer@tum.de

Karolina Schneider | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flipper auf atomarem Niveau
30.03.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Klein bestimmt über groß?
29.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten