Публикации: Методы исследования

На страницах Нанометра уже неоднократно выставлялись публикации по освещению ряда исследований, направленных на задачи анализа атомарной структуры фотонных кристаллов и кластерных естественных и искусственных образований [1…4]. В этой публикации будет сделана попытка оценки возможностей применения Рентгеновских методов анализа регулярных структур.

История исследований атомарной структуры кристаллов в Рентгеновских лучах восходит к началу прошлого века. Она начинается с исследований германского физика Макса фон Лауэ (Max von Laue), который со своими студентами Walter Friedrich и Paul Knipping в 1912 году обнаружили дифракцию X-rays на кристаллах [6]. В 1914 году за эти исследования Максу фон Лауэ была присуждена Нобелевская премия. Вторым значимым открытием историографы науки называют открытие американским физиком Артуром Комптаном увеличения длины волны рентгеновского рассеянного излучения на частицах атомарной структуры графита, открытые им в 1922г. [7] и объясненные в рамках квантовой теории излучения. При объяснении обнаруженного эффекта им предложено выражение связывающее приращение длины волны с квантовыми константами и углом падения излучения.

Почему интерес исследователей атомарных и нано-структур обращается к Рентгеновскому диапазону? Ответ на этот вопрос понятен. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны λ~1 , т. е. порядка размеров атомов. Методами Рентгеноструктурного анализа (Р. с. а.) изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно Р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Таким образом, 3D наноструктуры представляют для потока лучей рентгеновского диапазона полупрозрачные многослойные дифракционные решетки (МРД).

В сообщении [1] на страницах Нанометра в 2006 году сообщалось об исследовании наноструктур на циклотронном излучателе с разрушением самой исследуемой структуры. В публикации коллектива авторов СО РАН РФ [8] детально разобраны принципы исследования таких структур и сделан главный вывод, что дифракция жесткого рентгеновского (синхротронного) излучения является наиболее информативным методом исследования и неразрушающего контроля структурных характеристик МРД. В публикациях прошлых лет (второй половины прошлого столетия и начале нынешнего века) можно проследить эволюцию развития работ по Рентгеновскому дифракционному анализу регулярных и квазирегулярных 3D структур. В 50-е годы прошлого века две группы ученых, возглавляемые одна Джоном Кендрю [9], другая Максом Перуцом[10], выяснили структуру гемоглобина и миоглобина, облучая их рентгеновскими лучами и используя затем метод рентгеноструктурного анализа (см. также [11]). За эти результаты в 1962 году им обоим была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования структуры глобулярных белков». С этого момента рентгеновские лучи стали основным помощником в исследовании трехмерных структур макромолекул.

В этом году появилась публикация [12] в arxiv.org. Получены результаты по восстановлению камерой с ПЗС-матрицей изображения мышиного вируса герпеса с помощью математических методов. Само изображение рентгеноструктурного анализа преобразовывалось в распределение электронной плотности внутри вируса, что и означало «получение» рентгеновского снимка. Ученым удалось получить высококонтрастное изображение вируса с почти рекордным разрешением — 22 нанометра (на сегодня рекордом разрешающей способности рентгеновского дифракционного микроскопа является величина 15 нм [13,14], об этом эксперименте в Нанометре уже сообщалось в [3 и 4]). В заключении исследователи [12] говорят о том, что достигнутое ими разрешение 22 нм в получении рентгеновского изображения вируса не является пределом и, скорее всего, может быть улучшено с помощью проекта X-FEL — источника когерентного рентгеновского излучения (рентгеновского лазера) на свободных электронах. Проект X-FEL: Рентгеновский лазер - это синхротронное оборудование длинной 3.4 км , которое работает по существу под землёй и включает три участка на земле. Он начинается на участке DESY в Гамбург - Бахренфельд и проходит главным образом под землёй к участку исследования XFEL, который должен быть установлен вертикально в южной части города Шенефельд (район Пиннеберг , Шлезвиг-Гольштейн).

Исследования атомарных структур естественных и искусственных форм неорганических и органических соединений с высокими дозами Рентгеновского излучения, хотя и дают более детальные характеристики атомарной структуры исследуемых объектов, но они, как правило, связаны с полным или частичным уничтожением исследуемых образцов. По этому поиск путей неразрушающего контроля атомарной структуры - проблема, над которой бьются многие исследователи [5, 7…12].

Чтобы как-то обойти эти проблемы, при рентгеноструктурном анализе частично упорядоченных или неупорядоченных вовсе объектов (белков, ДНК, вирусов и т. д.) физики прибегают к так называемому методу малоуглового рассеяния. Рентгеновское излучение в этом случае концентрируется вблизи первичного пучка — в области малых углов рассеяния, то есть является слабо расходящимся [13].

До настоящего времени перспективным направлением неразрушающего микроскопического контроля в Рентгеновском диапазоне являются исследования с помощью настраиваемого монохроматора X лучей (Tunable Monochromatic X Rays), не смотря на то, что публикация [15,16] датируется 2002 годом. В любом поисковике по словосочетанию английской аббревиатуры заключенной в скобках можно детальнее разобраться с состоянием этих исследований. Дальнейшее развитие этих работ идет по пути применения импульсных монохроматоров с приближением длительности импульсов излучения к фемтa-секундному диапазону [17]. Например в [17] уже использовался мало-джоульный лазер 1,052-nm с разгоном в импульсе от 20-КV до 50-MeV.

Дальнейшее развитие этих исследований нам представляется чрезвычайно интересным не только для исследования биологических образований на клеточном уровне, но и для задач анализа микро и нано- структур на атомарном уровне. Но наиболее перспективным направлением дальнейшего развития исследований по мнению авторов обзора представляются работы изложенные в публикациях [19,20], в которых были изложены Методы флюоресцентной голографии в рентгеновских лучах (XFH и XFR), привлекшие внимание многих исследователей, как новое экспериментальное средство для отображения трехмерной локальной атомной структуры вокруг некоторого элемента в монокристалле. Ценность этой работы заключается в том , что в ней было показано лабораторное XFH оборудование с обычным рентгеновским источником, в котором используется однократно согнутый графитовый монохроматор с большой кривизной и рентгеновский детектор с высокой скоростью счета. С этим оборудованием были получены и успешно продемонстрированы высококачественные голограммные данные монокристалла золота почти эквивалентные тем, которые были получены с источником синхротронного излучения.

Голография атомного разрешения с флуоресцентными Х-лучами , так называемая флюоресцентная голография в Х-лучах (XFH), была выполнена Tegze и Faigel в 1996 [5]. XFH имеет нормальный [5] и инверсный XFH [19] способы, которые схематично поясняются на Рис. 6, 7 (a) и (b), соответственно. В нормальном XFH способе, волновым источником являются атомы, испускающие флуоресцентные Х-лучи в образце. Часть флуоресцентных Х-лучей рассеиваются соседними атомами и интерферирует с теми , которые непосредственно распространяются вне образца и формируют голограмму с атомарным разрешением. С другой стороны, инверсионный XFH способ основывается на оптической обратимости нормального XFH метода. Голограмма нормируется интерференцией между падающими Х-лучами и рассеянными лучами соседними атомами, находящимися рядом с флуоресцирующими атомами. Голограмма регистрируется как функция направления падающих Х-лучей. Энергия для строительства голограмм в нормальном способе ограничивается энергией флуоресцентных Х-лучей. В инверсном способе может быть выбрана любая энергия выше границы поглощения флуоресцентного элемента. Атомные изображения восстанавливаются из голограмм простым числовым алгоритмом [14].

В [19] отмечается , что атомарные изображения, восстановленные от голограмм, имеют серьезную проблему, так называемую проблему двойного изображения, то есть сопряженное изображение присутствует в центрально-симметричном положении реального изображения. Из-за наложения реального изображения с сопряженным изображением, даже реальное изображение часто исчезает. Искажение атомных изображений имеет место главным образом из-за этого явления. Чтобы решить эту проблему, была предложена многократная энергетическая рентгеновская голография (MEXH) [21]. В MEXH, функции изображения , восстановленные при разных энергиях суммируются алгоритмом многократной энергии Бартона [23]. В суммированном изображении, фазы определённым образом добавляются в истинных атомных положениях, в то время как они беспорядочно добавляются в положениях двойника изображения. Чтобы устранить изображение - двойник, регистрируются 5-10 голографических образцов . Вообще MEXH выполняется инверсным способом с регулируемым по энергии источником синхротронного излучения. С обычным источником Х-лучей в лаборатории, однако, MEXH метод, использующий инверсный способ, едва выполняется, так как высоко-интенсивные монохроматические Х-лучи ограничиваются характеристикой излучения материалов мишени. В работе [19] формировались 4 голографических паттерна в течение 10 дней с помощью нормального и инверсного способов при использовании только лабораторного XFH оборудования и приводятся детали измерения голограмм с помощью обоих способов на этом лабораторном XFH оборудовании и оценки их работы по восстановлению 3-D изображения атома золота.

Рис. 6,7 (a), и (b) показывают экспериментальные установки для нормального и инверсного XFH способов, соответственно. Флуоресцентные Х-лучи, испускаемые от образца были детектированы твёрдотельным детектором (SSD), который был разработан для регистрации рентгеновских лучей при скорости считывания ~10⁵ Гц с энергетическим разрешением приблизительно 200 eV. Образец был установлен на поворотной платформе по углу φ. Углы падения и выхода рентгеновских лучей θ₁ и θ₂, автоматически контролировались двухосным диффрактометром. Интенсивность флюоресценции была измерена как функция азимутального угла (φ) и полярного угла (θ₁ или θ₂). При нормальном способе, угол θ₂ является полярным углом, а θ₁ угол сохраняется постоянным. Перед SSD установлена маленькая щель, чтобы определить угловое разрешение голограммы. В инверсном способе, соотношение между θ₁ и θ₂ обратное ,чем таковое в нормальном способе.

В результате голограммных измерений монокристалла 001 золота, был получен ясный голографический паттерн почти эквивалентный паттерну, полученному с источником синхротронного излучения. Результаты приведены на Рис. 8…10. Времена измерения составляли около 2 дней в инверсном XFH способе Мо К_α (17.44 keV) и приблизительно 8 дней в нормальном XFH способе Au L_α (9.71 keV), Au L_β (11.49 keV) и Au L_γ (13.38 keV). В атомных изображениях , восстановленных от четырех голографических паттернов в обоих способах, были значительно подавлены артифакты и получены более ясные атомарные изображения. Эта работа продемонстрировала успешные измерения с лабораторным XFH оборудованием в комбинации с MEXH методом исследования деталей 3-D атомарных структур.

Выводы по обзору:

• Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны λ~1 , т. е. порядка размеров атомов.
• Методы дифракционной микроскопии уже в этом году позволили получить разрешение 15 нм
• Существующие методы исследования с помощью настраиваемого монохроматора X лучей и методы голографии атомного разрешения с флуоресцентными Х-лучами в настоящее время представляют чрезвычайно трудоемкими технологическими операциями, например
• В работе [19] формировались 4 голографических паттерна в течение 10 дней с помощью нормального и инверсного способов при использовании только лабораторного XFH оборудования
• Времена измерения составляли около 2 дней в инверсном XFH способе Мо К_α (17.44 keV) и приблизительно 8 дней в нормальном XFH способе Au L_α (9.71 keV), Au L_β (11.49 keV) и Au L_γ (13.38 keV).

Авторы обзора ставят перед собой задачи существенного уменьшения трудоемкости атомарных исследований с помощью Х лучей и перевода методов их восстановления к традиционным методам трехмерной голографии.

По нашим представлениям, добиться поставленных задач авторам позволят отрабатываемые методы иммерсионного переноса в ближней зоне структуры естественных и искусственных МРД с помощью сконцентрированных потоков X-rays в кластерную нано-структуру высокоразрешающих регистрирующих сред, с последующим традиционным для голографии 3D восстановлением атомарной структуры в видимом диапазоне спектра электромагнитных колебаний.

Авторы выражают свою глубокую признательность Антонову Александру Анатольевичу за неоценимую помощь в продвижении наших представлений о специфических приемах X-rays методов обращения с потоками и веществом, которые и выносятся для обсуждения в обзоре.

К обзору прилагаются оригинальная статья Y. Takahashi, K. Hayashi and E. Matsubara [19] и ее русский перевод, выполненный А.В. Афониным. Будем признательны за все критические замечания по предлагаемому обзору и переводу.

Список использованных источников:

1. Кушнир С. Е. Рентгеновский микроскоп взорвал лазером объекты наблюдения, Портал Нанометр, Эл. Пуб., 20 декабря 2006
2. Смирнов Е. А. Пространственное разрешение XRD – 200 нм. Портал Нанометр, Эл. Пуб., 02 июня 2008
3. Мельников Г. С. Метаматериалы и оптические свойства наноструктур, Эл. Пуб., 29 июня 2008
4. Новый метод визуализации наноструктуры материалов Трусов Л. А.
5. M. Tegze and G. Faigel, Nature (London) 380, 49 (1996).
6. Laue, Max von (1913). "Kritische Bemerkungen zu den Deutungen der Photoframme von Friedich und Knipping". Physikalische Zeitschrift14 (10): 421–423. Received 1 April 1913, published in issue No. 10 of 15 May 1913. As cited in Mehra, Volume 5, Part 2, 2001, p. 922.
7. Arthur H. Compton., Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements, Phusical Review, Second series,1923, Vol. 21, N5
8. В.И. Пунегов, А.В. Карпов, С.В. Мытниченко, Н.В. Коваленко, В.А. Чернов. Влияние азимутальной ориентации многослойной дифракционной решетки на когерентное и диффузное рассеяние рентгеновских лучей., Известия АН РФ, Серия Физическая, 2004, том 68, №4, с. 540-544
9. British biochemistry past and present, Camb., 1970.
10. Perutz, Max Ferdinand. Proteins and Nucleic Acids: Structure and Function. New York, 1962;
11. Обзор свободной энциклопедии Wikipedia. X-ray crystallography
12. Changyong Song, Huaidong Jiang, Adrian Mancuso, Bagrat Amirbekian, Li Peng, Ren Sun, Sanket S Shah, Z. Hong Zhou, Tetsuya Ishikawa, Jianwei Miao. Quantitative Imaging of Single, Unstained Viruses with Coherent X-rays., http://arxiv.org/abs/0806.2875[pdf]
13. Ю.Ерин. Впервые получено рентгеновское изображение вируса. http://www.fund-intent.ru/science/scns142.shtml
14. Changyong Song, Raymond Bergstrom, Damien Ramunno-Johnson, Huaidong Jiang, David Paterson,Martin D. de Jonge, Ian McNulty,3 Jooyoung Lee,4 Kang L. Wang, and Jianwei Miao, Nanoscale Imaging of Buried Structures with Elemental Specificity Using Resonant X-Ray Diffraction Microscopy. Physical review letters, PRL 100, 025504 (2008), 18 JANUARY 2008
15. Frank E. Carroll. Tunable Monochromatik X Rays: A New Paradigm in Medicine. AJR: 179, September 2002. http://www.ajronline.org/cgi/reprint/179/3/583
16. Frank Carroll. Tunable Monochromatik X Rays: An Enabling Technology for Molecular/Cellular Imaging and Therapy. Journal of Cellular Biochemistry 90:502-508 (2003) http://www.mxisystems.com/mxi04.pdf
17. Frank E. Carroll. at all/ Pulsed Tunable Monochromatik X-Ray Bems from a Compact Source: New Opportunities
18. Michael Kolbe, Burkhard Beckhoff, Michael Krumrey and Gerhard Ulm. Thickness determination for Cu and Ni nanolayers: Comparison of completely reference-free fundamental parameter-based X-ray fluorescence analysis and X-ray reflectometry Spectrochimica Acta Part B: Atomic SpectroscopyVolume 60, Issue 4, 30 April 2005, Pages 505-510
19. Y. Takahashi, K. Hayashiand E. Matsubara. Development and application of laboratory x-ray fluorescence holography equipment. International Centre for Diffraction Data 2004, Advances in X-ray Analysis, Volume 47.
20. T. Gog, P. M. Len, G. Materlik, D. Bahr, C. S. Fadley and C. Sanchez-Hanke, Phys. Rev. Lett. 76, 3132 (1996).
21. J. J. Barton, Phys. Rev. Lett. 67, 3106 (1991).
22. T. Gog, P. M. Len, G. Materlik, D. Bahr, C. S. Fadley and C. Sanchez-Hanke, Phys. Rev. Lett. 76, 3132 (1996).
23. J. J. Barton, Phys. Rev. Lett. 67, 3106 (1991).