Разобрать на отдельные клетки живую мышь или увидеть все трещинки в камне без его разрушения теперь несложно. В Москве представлен компьютерный томограф нанометрового разрешения.
Как рассказал Infox.ru вице-президент компании Xradia доктор Эс-Эйч Лау (S. H. Lau), их разработка позволит ученым разного профиля -- биологам, геологам или материаловедам исследовать структуру самых разных объектов с высокой точностью, при этом не разрушая их.
«В чем преимущество томографии? Мы можем видеть одинаково хорошо как поверхность, так и внутреннюю структуру изучаемого объекта без специальной пробоподготовки. Мы можем увидеть включение различных фаз или изменения плотности в трехмерном пространстве», -- рассказывает доктор Лау. «Мы можем применить этот метод для кости, наночастиц, полупроводниковых микросхем. Увидеть самую тонкую пористость в природных камнях или в керамических материалах. Мы можем подробно рассмотреть сосудистую систему -- кровеносные сосуды и капилляры, сделать их трехмерную карту и проследить, как они развиваются внутри человеческого тела. Это может помочь в исследованиях рака: мы сможем понять, как именно капилляры помогают расти и развиваться клеткам раковой опухоли».
Немного истории
Сама по себе компьютерная томография, или, как ее еще называют, рентгеновская компьютерная томография, метод не новый. Первые математические алгоритмы для нее разработал в 1917 году известный австрийский математик Иоганн Карл Август Радон. Вещество поглощает электромагнитное излучение, из-за чего интенсивность последнего экспоненциально ослабляется. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется с высокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы удалось впервые применить именно для рентгеновской компьютерной томографии.
В 1963 году американский физик Аллан Кормак (Allan McLeod Cormack) решил задачу томографического восстановления структуры объекта по данным, получаемым после просвечивания его рентгеновским излучением. В 1969 году английский инженер-физик Годфри Ньюболд Хаунсфилд (Godfrey Newbold Hounsfield) сконструировал первый компьютерный рентгеновский томограф, чьи клинические испытания прошли в 1972 году. В 1979 году Кормак и Хаунсфилд «за разработку компьютерной томографии» были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Как это работает
Собственно, схема метода проста. Источник излучения – рентгеновская трубка – вращается вокруг исследуемого объекта вместе с детектором. (Новый исследовательский томограф устроен немного проще: вращается не трубка и детектор, а образец. Но если образец это человек, то схему приходится менять на более сложную.) Прошедший пучок регистрируется на выходе детектором (который обычно тоже вращается). За один оборот трубки после обработки сигнала специальной программой получается один «срез», характеризующий распределение плотностей и вещественного состава в слое. Затем изучаемый объект «пододвигается» и начинается съемка следующего «среза».
С момента появления метод постоянно развивался и стал наряду с магниторезонансной томографией одним из самых популярных методов в медицине, позволяющих визуализировать внутреннее строение организма. Однако разрешение самых популярных на данный момент медицинских томографов не превышает 0,5 мм. Если для врачей этого достаточно, то для ученых маловато. Им хочется увидеть не просто расположение сосудов или опухоли, но и их клеточное строение. Для материаловедов такое разрешение тоже недостаточно. Им обычно интересна микро- или наноструктура изучаемых объектов.
Нанофокус
Корреспонденты Infox.ru спросили у доктора Лау, как именно удалось добиться нанометрового разрешения для рентгеновской компьютерной томографии.
«Как вообще можно добиться высокого разрешения на микроскопе любого типа? К примеру, начнем с оптического. Вы используете видимый свет. И чтобы повысить разрешение, вы его фокусируете с помощью высококачественных линз. Однако для оптического микроскопа есть естественный предел, так называемый дифракционный предел. Размер видимого объекта ограничивается половиной наименьшей длины волны, которая есть у видимого света, это 200 нанометров. В конфокальном микроскопе вы можете добиться разрешения даже до 150 нанометров, но это все.
Другой лабораторный микроскоп – электронный. Длина волны электронного пучка – субангстремная. Используя электромагнитные линзы для фокусировки потока электронов, можно добиться разрешения до нанометров, даже до нескольких ангстрем.
Однако для рентгеновского излучения мы не можем использовать стеклянные или электромагнитные линзы для его фокусировки. (Рентгеновское излучение не преломляется в веществе и не взаимодействует с электромагнитным полем. – Infox.ru.) Но нам удалось создать специальную кристаллическую линзу, которая может фокусировать рентгеновское излучение. Именно эта линза – наше ноу-хау. С ее помощью мы можем делать лабораторные рентгеновские компьютерные томографы с разрешением до 50 нанометров. А если использовать такие линзы для рентгеновских лучей, получаемых на синхротроне, то можно добиться разрешения до 20 нанометров».
Как же устроена эта уникальная линза для рентгеновского излучения? Это так называемая зонная линза Френеля. Она представляет собой круглую золотую пластинку, на поверхности которой создан специальный рельеф из концентрических выпуклых окружностей толщиной в несколько сот нанометров, а их число варьируется от 400 до десятков тысяч. Кристаллические плоскости этих окружностей отражают рентгеновские лучи под определенным углом, направляя их в центр фокусировки – на образец. Излучение, проходящее через образец, фокусируется затем на детекторе.
Преимущества метода
Само по себе такое разрешение, конечно, не уникально. Например, сканирующая туннельная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия дают атомарное разрешение. Однако первая работает лишь с поверхностью, а для второй необходимо делать очень тонкие срезы с образца (не больше десятка микрон). К тому же для электронной микроскопии необходим вакуум – а далеко не все образцы, особенно органические вещества и биологические объекты, могут существовать в вакууме. Компьютерная же томография высокого разрешения работает с объемные образцами в обычных условиях.
«В нашем приборе можно исследовать предметы как в миллиметровой, так и в микро- и наношкале. Вы можете начать с целой микросхемы и сфокусироваться на отдельных контактах. Если вы занимаетесь исследованиями грунта для нефтепромышленности, то можете начать с макростроения породы и рассмотреть самые мелкие поры. Если же вы биолог, то можете поместить в томограф целую мышь и рассмотреть каждую ее клетку в отдельности», -- говорит Лау.
Медикам новый прибор тоже должен прийтись по душе. Его можно будет не только использовать в исследованиях, но и, к примеру, создавать подробные трехмерные модели костей. А уже на их основе производить костные импланты нового поколения.
Прибор представлен на прошедшем в начале декабря в Москве форуме «Роснанотех».
Редакция Infox.ru благодарит компанию Armgate за предоставленные материалы и содействие при подготовке статьи.
