Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4263
Main Title: Laboratory full-field transmission x-ray microscopy and applications in life science
Translated Title: Laborbasierte Vollfeld-Transmissionsröntgenmikroskopie und Anwendungen im Life Science Bereich
Author(s): Seim, Christian
Referee(s): Kanngießer, Birgit
Raum, Kay
Stiel, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Röntgenmikroskopie im sogenannten Wasserfenster zwischen der K- Absorptionskante von Kohlenstoff 284 eV und der K- Kante von Sauerstoff 543eV ermöglicht Auflösungen im Nanometerbereich. Eine hohe Transmission durch Wasser und eine im Vergleich starke Absorption an Kohlenstoff erzeugt einen hohen natürlichen Kontrast, der die Untersuchung von wässrigen biologischen Proben bis zu einer Dicke von 10 µm erlaubt. Um Strahlenschäden zu vermeiden müssen biologische Zellen nur eingefroren werden, können aber davon abgesehen in ihrem natürlichen Zustand untersucht werden. Aufwendige Probenpräparation, wie Schwermetallfärbung oder Einbettung sind deshalb generell nicht notwendig. Die Entwicklung von brillianten Lichtquellen im Labor hat den Transfer dieser Methode, die lange Zeit nur an Synchrotrons durchführbar war, ermöglicht und diese Technologie dadurch einer größeren wissenschaftlichen Community aus verschiedenen Feldern, wie Medizin, Biologie, aber auch Materialwissenschaften, verfügbar gemacht. Diese Arbeit stellt die Entwicklung eines Vollfeld- Transmission- Laborröntgenmikroskops (LTXM), das mit einer Laserplasmaquelle betrieben wird, vor. Das Mikroskop erreicht eine Auflösung (half-pitch) von Δx = (35 ± 3) nm, was mit Auflösungen vergleichbar ist, die an Synchrotrons demonstriert wurden [103]. Die Entwicklung eines Cryo-Plunges und einer Präparationsroutine für biologische Proben mit einer hohen Erfolgsrate in Kombination mit der Arbeitswellenlänge von 2.478 nm (Photonenenergien von 500 eV) ermöglichte biomedizinische Anwendungen, die in Kapitel 6 vorgestellt werden. Zuerst wird die Präparationroutine anhand von Hefezellen (saccharomyces cerevisiae) erklärt, bevor Präparationsmöglichkeiten und Untersuchungen an einem anspruchsvollen Probensystem, Knochen, vorgestellt werden. Im Anschluss werden Studien über die Penetration und Auswirkungen von Nanopartikeln in menschliche/r Haut gezeigt. 2D labor- und 3D synchrotronbasierte Röntgenmikroskopiemessungen an hochdruckbehandelten bakteriellen Endosporen (Wildtyp (PS832) B.subtilisBacillus subtilis), sowie ein Beispiel aus der Materialwissenschaft, die Untersuchung von Tonpartikeln, werden ausserdem geschildert.
X-ray microscopy with a photon energy between the K absorption edge of carbon at 284 eV and oxygen at 543 eV, the so-called water window, allows imaging with resolutions in the nanometer regime. A high transmission through oxygen and a, in comparison, relatively high absorption of carbon provides a high natural contrast, which enables the examination of aqueous biological samples with a thickness up to 10 µm in their natural state. Apart from cryo fixation of the specimen, which is usually required in order to avoid radiation damage, extensive sample preparation, like heavy metal staining or embedding, is usually not necessary. The use of highly brilliant laboratory X-ray sources has allowed the transfer of this technology, previously limited to synchrotron facilities, into the laboratory. This transfer inures to the benefit of a broader scientific community for applications in various fields such as medicine, biology and environmental sciences. This thesis presents the development of a plasma driven laboratory full-field transmission X-ray microscope (LTXM). The microscope achieves a half-pitch resolution of Δx = (35±3) nm, which is comparable to resolutions demonstrated at synchrotron facilities. The development of a cryo plunge system and preparation routine for aqueous biological specimens with a high success rate in combination with the LTXM’s photon energy of 500 eV made applications in life and environmental science feasible. Applications are presented in chapter 6. At first, the preparation routine for biological cells is explained taking the example of yeast (saccharomyces cerevisiae), before preparation possibilities and investigations of a more intricate sample system, bone, are depicted. Subsequently, studies on the penetration and effects of nanoparticles in human skin are demonstrated. Furthermore, 2-dimensional laboratory- and 3-dimensional synchrotron-based investigations of dormant and high-pressure treated bacterial endospores (wild-type (PS832) bacillus subtilis) will be discussed. Lastly, an example from material science, X-ray microscopy studies of quartzrich ball clay, will be given.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-59337
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4560
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4263
Exam Date: 16-Oct-2014
Issue Date: 12-Dec-2014
Date Available: 12-Dec-2014
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Bildgebung
Life Science Anwendungen
Röntgenmikroskopie
Wasserfenster
Imaging
Life science
Transmission soft x-ray microscopy
Water-window
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