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Virtuelle Linse verbessert Röntgenmikroskopie

04.02.2019

Röntgenstrahlen ermöglichen einzigartige Einblicke in das Innere von Materialien, Gewebe und Zellen. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine neue Methode entwickelt, dank der die Röntgenbilder von Materialien noch besser werden. Die Forschenden bewegten dazu eine optische Linse und nahmen dabei etliche Einzelbilder auf, aus denen sie mit Hilfe von Computeralgorithmen die eigentliche Aufnahme errechneten. Damit haben sie erstmalig das Prinzip der sogenannten Fourier-Ptychografie auf Messungen mit Röntgenlicht übertragen. Die Ergebnisse der Arbeit an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS sind im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

Mit Röntgenmikroskopen blicken Forschende am PSI in Computerchips, Katalysatoren, Knochenstückchen oder Hirngewebe. Die kurze Wellenlänge des Röntgenlichts macht Details sichtbar, die eine Million Mal kleiner als ein Sandkorn sind – also Strukturen im Nanometerbereich (millionstel Millimeter).


Klaus Wakonig und Ana Diaz haben gemeinsam mit weiteren PSI-Forschenden erstmalig das Prinzip der Fourier-Ptychografie auf die Röntgenmikroskopie übertragen.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Wie bei einem normalen Mikroskop trifft das Licht auf die Probe und wird von ihr abgelenkt. Eine Linse sammelt dieses gestreute Licht und erzeugt ein vergrössertes Bild auf der Kamera. Allerdings streuen winzige Strukturen das Licht in sehr grossen Winkeln. Will man sie im Bild auflösen, braucht es entsprechend eine grosse Linse. "Doch es ist äusserst schwierig, solch grosse Linsen herzustellen", sagt Klaus Wakonig, Physiker am PSI:

"Im sichtbaren Bereich gibt es Linsen, die sehr grosse Streuwinkel einfangen können. Im Röntgenbereich hingegen ist dies aufgrund der schwachen Wechselwirkung mit dem Material der Linse komplizierter. Infolgedessen können meist nur sehr kleine Winkel eingefangen werden oder die Linsen sind sehr ineffizient."

Die neue, von Wakonig und seinen Kollegen entwickelte Methode umgeht dieses Problem. "Das Ergebnis ist so, als ob wir mit einer grossen Linse gemessen hätten", erklärt der Forscher. Das PSI-Team verwendet eine kleine, aber effiziente Linse, wie sie üblicherweise in der Röntgenmikroskopie eingesetzt wird, und verschiebt diese über einen Bereich, den eine ideale Linse abdecken würde. Somit entsteht virtuell eine grosse Linse.

"In der Praxis gehen wir mit der Linse zu verschiedenen Punkten und nehmen dort jeweils ein Bild auf", erklärt Wakonig. "Dann verwenden wir Computeralgorithmen, um alle Bilder zu verbinden und so eine hochaufgelöste Aufnahme zu erzeugen."

Vom sichtbaren Licht zur Röntgenstrahlung

Normalerweise vermeidet man, Linsen in Instrumenten von der optischen Achse weg zu bewegen, da dies die Abbildung verfälschen kann. Doch da die Forschenden die genaue Position der Linse kennen und viele nah beieinander liegende Punkte beleuchten, können sie rekonstruieren, wie das Licht gestreut wurde und wie die Probe ausgesehen hat.

Das Verfahren heisst Fourier-Ptychografie und wird seit 2013 für die Mikroskopie im sichtbaren Bereich verwendet. In ihren Experimenten am PSI konnten die Forschenden nun erstmals dieses Prinzip auf die Röntgenmikroskopie übertragen. "Soweit wir wissen, wurde bisher keine erfolgreiche Umsetzung der Fourier-Ptychografie mit Röntgenlicht gemeldet", schreiben die Forschenden in Science Advances.

Die neue Methode liefert nicht nur eine bessere Auflösung, sondern auch zwei sich ergänzende Bildinformationen. Einerseits wird wie bei einer Handy-Kamera gemessen, wie viel Licht vom abzubildenden Objekt absorbiert wird. Andererseits wird auch erfasst, wie das Licht abgelenkt wird. Die Fachleute sprechen von Absorptions- und Phasenkontrast.

"Unsere Methode liefert den Phasenkontrast, der sonst nur schwer zu erhalten ist, praktisch gratis mit", sagt Ana Diaz, Strahllinienwissenschaftlerin am PSI: "Dadurch ist die Qualität der Bilder viel besser." Der Phasenkontrast ermöglicht es sogar, Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften der untersuchten Probe zu ziehen, was mit normaler Bildgebung in der Regel nicht gelingt.

Besonders interessant für biologische Proben

In ihren Experimenten war die untersuchte Probe der Forschenden ein Detektorchip. In Zukunft könnte die neue Methode zum Beispiel aufzeigen, wie ein Katalysator bei hohen Temperaturen arbeitet, wenn man ein Gas hinzufügt, oder wann und wie ein Metall unter Druck bricht.

Aber auch Gewebe und Zellverbände könnten damit besser untersucht werden. Davon erhoffen sich die Forschenden neue Erkenntnisse über die Entstehung von Krankheiten wie Alzheimer oder Hepatitis. "Biologische Proben haben normalerweise keinen guten Absorptionskontrast. Hier sorgt der Phasenkontrast für eine wesentliche Steigerung der Bildqualität", erklärt Diaz die Vorzüge der neuen Methode.

Zudem vermuten die Forschenden, dass die Fourier-Ptychografie schonender ist als bisherige Verfahren. "Ein Vergleich mit der normalen Röntgenmikroskopie deutet darauf hin, dass die neue Methode eine geringere Strahlendosis erfordert, weil sie effizienter ist", sagt Wakonig. "Dies könnte für Untersuchungen von biologischen Proben besonders interessant sein."

Aufgebaut hat das Forscherteam seine Demonstrationsanlage an der Strahllinie cSAXS der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. "Die Experimente sind zurzeit noch recht aufwendig und brauchen viel Zeit", sagt Diaz. Damit das neue Verfahren funktioniert, müssen die verwendeten Röntgenstrahlen sich in einer Art Gleichklang befinden, die Forschenden sagen: Sie müssen kohärent sein. Solche Experimente erfordern derzeit Grossforschungsanlagen wie die SLS. Wakonig untersucht aber auch, ob sich das Verfahren mit weniger Kohärenz realisieren lässt. Könnte man Proben auf diese Weise mit einer üblichen Laborquelle für Röntgenstrahlung untersuchen, würden sich viele weitere Anwendungsbereiche erschliessen.

Text: Barbara Vonarburg


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 390 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Klaus Wakonig
Forschungsgruppe für Kohärente Röntgenstreuung
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 39 69, E-Mail: klaus.wakonig@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Dr. Ana Diaz
Forschungsgruppe für Kohärente Röntgenstreuung
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 56 26, E-Mail: ana.diaz@psi.ch [Deutsch, Englisch, Spanisch]

Dr. Andreas Menzel
Leiter der Forschungsgruppe für Kohärente Röntgenstreuung
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 37 11, E-Mail: andreas.menzel@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Originalpublikation:

X-ray Fourier ptychography
K. Wakonig, A. Diaz, A. Bonnin, M. Stampanoni, A. Bergamaschi, J. Ihli, M. Guizar-Sicairos and A. Menzel
Science Advances 1. Februar 2019 (online)
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aav0282

Weitere Informationen:

http://psi.ch/Ku2g – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI

Barbara Vonarburg | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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