Laboratory water-window microscope based on z-pinching capillary discharge source for biological imaging

Abstract

Měkká rentgenová mikroskopie ve spektrální oblasti tzv. vodního okna (2,28–4,36 nm) je rozvíjející se zobrazovací metoda pro zkoumání biologických objektů. Díky svému prostorovému rozlišení v řádu desítek nanometrů jde o komplementární zobrazovací metodu k transmisní elektronové mikroskopii a optické mikroskopii, která umožňuje zobrazení celistvých buněk v jejich přirozeném prostředí. Nejčastějšími zdroji záření pro měkkou rentgenovou mikroskopii jsou rozlehlá a nákladná zařízení, jakými jsou synchrotrony a lasery na volných elektronech, což omezuje přístup širší vědecké veřejnosti k této zobrazovací metodě. Tato doktorská práce ve své první části popisuje srovnání dvou laboratorních zdrojů měkkého rentgenového záření – laserem a výbojem generované plazma. Oba zdroje jsou charakterizovány jako potenciální zdroje záření pro měkkou rentgenovou mikroskopii ve vodníım okně. Laserem generovaný plazmatický zdroj záření byl vyvinut v Laser-Laboratorium G¨ottingen e.V., Německo; plazma je zde indukováno laserovým pulzem Q-spínaného Nd:YAG laseru (1064 nm, 640 mJ, 7 ns) fokusovaného do dusíkového plynného terče. Výbojem generovaný plazmatický zdroj byl vyvinut na Českém vysokém učení technickém v Praze; plazma je zde generováno proudovým výbojem procházejícím dusíkem plněnou kapilárou. Oba zdroje záření využívají spektrální čáru dusíku λ = 2,88 nm (430 eV) odpovídající kvantovému přechodu 1s2–1s2p heliu podobných dusíkových iontů. Vývoj samotného mikroskopu využívající měkké rentgenové záření byl založen na výbojovém zdroji z důvodu jeho vyššího jasu. Ve své druhé části doktorská práce prezentuje uspořádání a praktické využití transmisního mikroskopu operujícího ve vodním okně, který je založen na Z-pinčujícím kapilárním výbojovém zdroji dusíkového plazmatu. Emitované měkké rentgenové záření je filtrováno titanovou folií a fokusováno eliptickým kondenzorem do roviny vzorku. K vytvoření transmisního obrazu vzorku na CCD kameru byla využita Fresnelova čočka (zónová deska). Jako standardní vzorek pro určení rozlišení mikroskopu byla zobrazena periodická měděná mřížka. Výsledná prostorová rozlišovací schopnost mikroskopu je 75 nm. Ta byla určena z obrazu měděné mřížky pomocí standardního 10–90% intenzitního testu. Potenciál mikroskopu je demonstrován zobrazením zelené řasy – Desmodesmus communis.

Soft X-ray microscopy in the water-window spectral region (2.28–4.36 nm) is one of the emerging biological imaging methods with the resolution in the order of tens nanometers covering the gap between transmission electron microscopy and visi- ble light microscopy, and providing a tool to image an intact cell in a native or near-native environment. However, soft X-ray microscopes are commonly based on large-scale facilities such as synchrotron or free-electron lasers, limiting the accessi- bility to this imaging technique for the broader scientific community. In the first section this Thesis describes comparison of two table-top sources of soft X-ray radiation – laser- and discharge-produced plasma, with regards to imaging in the water-window region. The laser-produced plasma source was developed in Laser-Laboratorium G¨ottingen e.V., Germany, and plasma is induced by a laser pulse of Q-switched Nd:YAG laser (1064 nm, 640 mJ, 7 ns pulse) focused into nitrogen gas-puff target. The discharge-produced plasma source was developed in- house at Czech Technical University in Prague, and plasma is generated by a current discharge through the ceramic capillary filled with nitrogen gas. Both sources utilize the nitrogen spectral line λ = 2.88 nm (430 eV), corresponding to the quantum transition 1s2–1s2p of helium-like nitrogen ions. The discharge-produced nitrogen plasma source has a higher brightness; therefore, it was used for the microscope development. In its second section the Thesis presents a design and performance of a compact transmission water-window microscope based on the Z-pinching capillary discharge nitrogen plasma source. The emitted soft X-ray radiation is filtered by a titanium foil and focused by an ellipsoidal condenser mirror into the sample plane. A Fresnel zone plate was used to create a transmission image of the sample onto a CCD camera. To assess the resolution of the microscope, a standard sample—copper mesh—was imaged. The spatial resolution of the microscope is 75 nm at half-pitch, calculated via a 10–90% intensity knife-edge test. The applicability of the microscope is demonstrated by the imaging of green algae–Desmodesmus communis.