Радиофизики ТГУ вместе с учеными из немецкого электрон-синхротронного центра DESY завершили разработку и тестирование первого в мире комптоновского микроскопа, позволяющего проводить исследования на субклеточном уровне, то есть изучать живые, функционирующие клетки без их препарирования. Этот прибор нового класса на основе рассеянного излучения не разрушает объект исследования после его облучения рентгеновским пучком, как это происходит в просвечивающей рентгеновской микроскопии.
Работа над созданием этого микроскопа шла с 2018 года в рамках совместного гранта РНФ и при помощи конкурсной поддержки Объединения научно-исследовательских центров Германии им. Гельмгольца с общим финансированием более 20 миллионов рублей. Прототип устройства был запущен в работу в 2019 году, и до настоящего времени шла его отладка и уточнялись характеристики.
Основная задача состояла в том, чтобы снизить дозу рентгеновского излучения на исследуемый объект при реконструкции трехмерного изображения биологических образцов с высоким пространственным разрешением. Совместная разработка ТГУ и немецких коллег из DESY в разы увеличивает время экспозиции при изучении клеточных структур, тканей и длинных белковых молекул, которые в просвечивающем рентгеновском микроскопе быстро разрушаются из-за большой поглощенной дозы. В новом устройстве воздействие более слабое, а значит, разрушение будет идти медленнее.
Поскольку большое количество излучения приводит к повреждению образца, оно значительно ограничивает уровень детализации изображения. Дополнительная сложность в том, что некоторые из радиационных повреждений происходят с задержкой, зависящей от дозы излучения, и это затрудняет интерпретацию результатов.
– В отличие от просвечивающего рентгеновского микроскопа, в комптоновском формирование изображения происходит не в проходящем, а в рассеянном рентгеновском излучении. Так, лишь небольшая часть энергии рентгеновского излучения поглощается в объекте исследования, что приводит к уменьшению скорости деградации исследуемых объектов во время эксперимента, – пояснил заведующий лабораторий детекторов ионизирующего излучения РФФ ТГУ Антон Тяжев.
Увеличение вклада комптоновского излучения достигается путем повышения энергии рентгеновских квантов до 30-60 кэВ. И это ведет к необходимости разработки и изготовления специализированного пиксельного детектора на основе матричных арсенид-галлиевых сенсоров большой площади. Такие сенсоры стали сферой ответственности томских ученых. Радиофизики ТГУ разработали технологию создания «рентгенопрозрачного» металлического контакта – теперь он пропускает не менее 98% рентгеновского излучения в диапазоне от 10 кэВ и выше. Это повышает чувствительность микроскопа за счет регистрации более широкого спектра рассеянного излучения.
– Мы уменьшили диаметр «окна» контактной металлизации (Under Bump Metallization). До этого минимальный размер UBM составлял 35 микрометров, сейчас – 25 микрометров. В связи с этим уменьшился процент дефектных пикселов на сенсоре, и детекторы стали более качественными, – добавил Антон Тяжев. Добавим, что детекторы на основе арсенида галлия — уникальная разработка коллектива томских учёных под руководством профессора ТГУ Олега Толбанова. Эти детекторы не имеют мировых аналогов. Кроме немецкого синхротронного центра DESY, их используют на Большом адронном коллайдере в CERN и в других ведущих научных центрах.