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Titel: 3D Multimodal X-ray microscopy of biological specimens
Sonstige Titel: Multimodale Röntgenmikroskopie von biologischen Proben
Sprache: Englisch
Autor*in: Stachnik, Karolina Maria
Schlagwörter: Käferschnecke; ptychographic tomography; X-ray fluorescence; macrophages; tuberculosis; chiton's teeth
GND-Schlagwörter: Röntgenmikroskopie; Ptychographie; Tomografie; Röntgenfluoreszenzspektroskopie; Synchrotronstrahlung; Makrophage; Tuberkulose; Knochen; Osteop
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-09-23
Zusammenfassung: 
Studies of biological systems typically require the application of several complementary methods able to yield statistically relevant results at a unique level of sensitivity. Long penetration depth of X-rays makes them particularly suitable for non-destructive volumetric investigations of whole cells and tissue sections, providing structural and elemental specificity at nanoscale spatial resolutions.

X-ray ptychography is a promising imaging technique for sub-100-nm structural studies of weakly-scattering extended biological specimens. It provides quantitative phase-contrast maps revealing the morphology of an investigated object. In addition, its scanning nature allows for a simultaneous acquisition of nanoscale X-ray fluorescence, yielding the element distributions at an unmatched sensitivity.

Thus, the goal of this PhD project has been to combine X-ray fluorescence and ptychography to enable a robust correlation of elemental distributions with respect to the cellular morphology. Exploiting a highly intense and coherent X-ray beam at beamline P11 of the low-emittance synchrotron light source PETRA III in Hamburg, Germany, a versatile multimodal scanning X-ray microscope was developed in the framework of this PhD project. This thesis describes the consecutive stages of the microscope's development and highlights its application in structural determination of biological samples.

In the first stage of this PhD project, a 2D long-range scanning unit was developed, enabling seamless, serial measurements of many targets at nanometer precision. With this setup, the PhD work allowed to optimise the correlative imaging method at higher incident photon energies for mapping of first-row transition metals up to iron, while using a nano-focussed beam. In this way, it addressed limitations of the so-far presented demonstrations, restrained to light-element mapping in the context of organelles of single cells. The correlative imaging method was then used to quantify the iron distributions in a population of macrophages treated with Mycobacterium-tuberculosis-targeting iron-oxide nanocontainers in the context of their sub-cellular structure obtained by ptychography. In the second application, the calcium content in a human bone matrix was mapped in close proximity to osteocyte lacunae (perilacunar matrix). A concurrently acquired ptychographic image was then used to remove the mass-thickness effect from the raw calcium map.

In the second stage of this work, the concept of concurrent ptychography and X-ray fluorescence was extended to 3D correlative imaging in the framework of computed tomography. For this purpose, an upgraded 3D scanning X-ray microscope was built, commissioned, and used in volumetric imaging of two specimens, using ptychographic X-ray computed tomography. The final performance of the 3D microscope reached far beyond the throughputs of the available ptychographic tomography setups which, until now, have hindered application of the method by a broader biomedical community. A tomogram of the nano-porous glass demonstrated the fastest on-the-fly ptychographic tomography, to date, at an isotropic spatial resolution of 52 nm. In the second application, ptychographic tomography of a chiton's radular tooth provided a quantitative insight into one of the nature's hardest biominerals, at a Nyquist-sampling limited spatial resolution of 65 nm.

The work has been concluded with a prospect for future operation and opportunities of the correlative method of simultaneous ptychographic and X-ray fluorescence imaging at upcoming diffraction-limited synchrotron light sources.

Untersuchungen biologischer Systeme erfordern in der Regel die Anwendung mehrerer komplementärer Methoden, mit denen statistisch relevante Ergebnisse mit einer einzigartigen Empfindlichkeit erzielt werden können.

Aufgrund ihrer großen Eindringtiefe ist Röntgenstrahlung besonders gut zur zerstörungsfreien Untersuchung ganzer Zellen und von Gewebeschnitte in 3D geeignet und ermöglicht es dabei, räumliche Auflösungen im Nanometerbereich bei gleichzeitiger Elementspezifität zu erzielen.

Die Röntgenptychographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches besonders für Strukturuntersuchungen von schwach streuenden biologischen Proben geeignet ist. Mit der Methode werden quantitative Phasenkontrastbilder erhalten, mit denen sich die Morphologie der Proben im Sub-100-nm-Bereich untersuchen lässt. Darüber hinaus ermöglicht das angewandte Scanverfahren der Probe eine simultane Erfassung der Röntgenfluoreszenz im Nanometerbereich, wodurch die Elementverteilungen mit einer bisher unerreichten Empfindlichkeit erhalten werden.

Ziel dieses Promotionsprojekts war es, ein kombiniertes Messverfahren für simultane Röntgenfluoreszenz und Ptychographie zu entwickeln, um eine Korrelation der Elementverteilungen in Bezug auf die zelluläre Morphologie zu ermöglichen. Unter Ausnutzung eines hochintensiven und kohärenten Röntgenstrahls an der Strahlführung P11 der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III in Hamburg wurde dazu ein vielseitiges multimodales Röntgenrastermikroskop entwickelt. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklungsstadien des Mikroskops und seine anschließende Anwendung zur Strukturuntersuchung biologischer Proben.

Im ersten Teil des Promotionsprojekts wurde zunächst eine 2D-Scaneinheit mit einem großen Verfahrbereich entwickelt, welche die seriellen Messungen von vielen Objekten mit Nanometergenauigkeit ermöglicht. Durch die Verwendung höherer Photonenenergien konnte dabei die Elementverteilung von 3d-Übergangsmetallen bis zu Eisen korrelativ untersucht werden. Mit der entwickelten Bildgebungsmethode wurde anschließend die Eisenverteilung in Makrophagen, die mit Eisenoxid-Nanokapsel gegen eine Mycobacterium-Tuberculosis-Infektion behandelt wurden, quantitativ untersucht. Das Verfahren ermöglichte es, die genaue Verteilung der Eisenpartikeln innerhalb der subzellulären Struktur zu bestimmen. In einer zweiten Anwendung wurde die Kalziumverteilung innerhalb Perilacunarmatrix eines menschlichen Knochens bestimmt. Durch die simultane Aufnahme eines ptychographischen Bildes, konnte dabei die um den Massendickeneffekt korrigierte, reale Kalziumverteilung bestimmt werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Methode der simultanen Ptychographie und Röntgenfluoreszenz auf die Bildgebung in 3D erweitert. Dazu wurde ein neuartiges 3D-Röntgenmikroskop entwickelt, welches es erlaubt, ptychographische Tomographie Untersuchungen viel schneller als bisher durchführen zu können. Die Effizienz dieses neuen Mikroskops wurde anhand der Strukturbestimmung von 2 Proben in 3D demonstriert. In dem ersten Experiment konnte mit der Methode der On-the-fly-scanning Ptychographie mit bisher unerreichter Geschwindigkeit ein Tomogramm von nanoporösen Glases mit einer isotropen Auflösung von 52 nm aufgezeichnet werden. In einem weiteren Experiment konnten Struktur und Dichte eines Radulazahns einer Käferschnecke, einem der härtesten Biomineralien der Natur, mit einer isotropen Auflösung von 65 nm in 3D bestimmt werden.

Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten des Mikroskops und der Methode der simultanen Ptychographie- und Röntgenfluoreszenzmikroskopie an künftigen neuen beugungsbegrenzten Röntgenstrahlungsquellen.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6276
URN: urn:nbn:de:gbv:18-104621
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Meents, Alke (Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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