Microscopía de rayos X blandos

Un microscopio de rayos X utiliza radiación electromagnética en la banda de rayos X blandos para producir imágenes de objetos muy pequeños.

A diferencia de la luz visible , los rayos X no se reflejan ni se refractan fácilmente, y son invisibles para el ojo humano. Por lo tanto, el proceso básico de un microscopio de rayos X consiste en exponer una película o utilizar un detector de dispositivo de carga acoplada (CCD) para detectar los rayos X que atraviesan la muestra. Se trata de una tecnología de imagen por contraste que utiliza la diferencia en la absorción de rayos X blandos en la región de la ventana del agua (región de longitud de onda: 2,34–4,4  nm, región de energía de fotones: 280–530  eV  ) por el átomo de carbono (elemento principal que compone la célula viva) y el átomo de oxígeno (elemento principal del agua).

Los primeros microscopios de rayos X de Paul Kirkpatrick y Albert Baez utilizaban óptica reflectante de incidencia rasante para enfocar los rayos X, que los hacían rebotar en espejos parabólicos curvos con un ángulo de incidencia muy elevado . Un método alternativo para enfocar los rayos X consiste en utilizar una diminuta placa de Fresnel con anillos concéntricos de oro o níquel sobre un sustrato de dióxido de silicio . Sir Lawrence Bragg produjo algunas de las primeras imágenes de rayos X utilizables con su aparato a finales de la década de 1940.

En la década de 1950, Newberry fabricó un microscopio de rayos X de sombra que colocaba la muestra entre la fuente y una placa objetivo; este se convirtió en la base de los primeros microscopios de rayos X comerciales de la compañía General Electric .

La Fuente de Luz Avanzada (ALS) en Berkeley, California, alberga el XM-1 ( http://www.cxro.lbl.gov/BL612/ ), un microscopio de rayos X blandos de campo completo operado por el Centro de Óptica de Rayos X y dedicado a diversas aplicaciones en la nanociencia moderna, como materiales nanomagnéticos, ciencias ambientales y de materiales, y biología. El XM-1 utiliza una lente de rayos X para enfocar los rayos X en un CCD, de manera similar a un microscopio óptico. El XM-1 ostentó el récord mundial en resolución espacial con placas de zona de Fresnel de hasta 15  nm y es capaz de combinar una alta resolución espacial con una resolución temporal inferior a 100 ps para estudiar, por ejemplo, la dinámica de espín ultrarrápida. En julio de 2012, un grupo en DESY afirmó haber alcanzado una resolución espacial récord de 10  nm, utilizando el microscopio de escaneo de rayos X duros en PETRA III. ^{[ 1 ]}

El ALS también alberga el primer microscopio de rayos X blandos del mundo diseñado para la investigación biológica y biomédica. Este nuevo instrumento, el XM-2, fue diseñado y construido por científicos del Centro Nacional de Tomografía de Rayos X. El XM-2 es capaz de producir tomogramas tridimensionales de células.

Las fuentes de rayos X blandos adecuadas para la microscopía, como las fuentes de radiación sincrotrón , tienen un brillo bastante bajo en las longitudes de onda requeridas, por lo que un método alternativo para la formación de imágenes es la microscopía de rayos X blandos por transmisión de barrido. En este método, los rayos X se enfocan en un punto y la muestra se escanea mecánicamente a través del punto focal resultante. En cada punto, los rayos X transmitidos se registran con un detector, como un contador proporcional o un fotodiodo de avalancha . Este tipo de microscopio de rayos X por transmisión de barrido (STXM) fue desarrollado inicialmente por investigadores de la Universidad de Stony Brook y se empleó en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón del Laboratorio Nacional de Brookhaven .

La resolución de la microscopía de rayos X se sitúa entre la del microscopio óptico y la del microscopio electrónico . Presenta una ventaja sobre la microscopía electrónica convencional , ya que permite observar muestras biológicas en su estado natural. La microscopía electrónica se utiliza ampliamente para obtener imágenes con resolución nanométrica, pero no permite observar células vivas relativamente gruesas, puesto que la muestra debe fijarse químicamente, deshidratarse, incrustarse en resina y, posteriormente, cortarse en láminas ultrafinas. Sin embargo, cabe mencionar que la criomicroscopía electrónica permite la observación de especímenes biológicos en su estado natural hidratado, aunque incrustados en hielo de agua. Hasta ahora, se han logrado resoluciones de 30 nanómetros utilizando la lente de zona de Fresnel, que forma la imagen mediante rayos X blandos emitidos por un sincrotrón. Recientemente, el uso de rayos X blandos emitidos por plasmas generados por láser, en lugar de radiación sincrotrón, se está popularizando.

Además, los rayos X provocan fluorescencia en la mayoría de los materiales, y estas emisiones pueden analizarse para determinar la composición química de un objeto. Otro uso consiste en generar patrones de difracción , un proceso empleado en la cristalografía de rayos X. Mediante el análisis de las reflexiones internas de un patrón de difracción (generalmente con un programa informático), se puede determinar la estructura tridimensional de un cristal , incluso la ubicación de los átomos individuales dentro de sus moléculas. En ocasiones, se utilizan microscopios de rayos X para estos análisis, ya que las muestras son demasiado pequeñas para analizarlas de otra manera.

• Microscopía tomográfica de rayos X de sincrotrón
• microscopio de rayos X
• Microscopio electrónico

• Yamamoto Y, Shinohara K (octubre de 2002). "Aplicación de la microscopía de rayos X en el análisis de células vivas hidratadas". Anat . Rec . 269 (5): 217–23 . doi : 10.1002/ar.10166 . PMID 12379938. S2CID 43009840 .  
• Kamijo N, Suzuki Y, Awaji M, et  al. (mayo de 2002). "Experimentos con microhaz de rayos X duros con una placa de zona de Fresnel cortada por pulverización catódica y sus aplicaciones" . J Synchrotron Radiat . 9 (Pt 3): 182–6 . doi : 10.1107/S090904950200376X . PMID 11972376 . 
• Aplicaciones científicas de la microscopía de rayos X blandos
• Centro Nacional de Tomografía de Rayos X
• Arndt Last. "Microscopía de rayos X" . Consultado el 17 de octubre de 2012 .