Kurzfassung
Kohärent diffraktive Röntgen Bildgebung (CXDI) ist eine neuartige Mikroskopiemethode, welche
die einzigartigen Röntgenlichteigenschaften von Strahlungsquellen hochentwickelter Synchrotrons
und Freie-Elektronen Röntgen Laser (XFEL) nutzt. Nach Abbe’s Theorie ist die Auflösung von
Mikroskopen durch die Wellenlänge des Lichtes beschränkt. Mit Röntgenstrahlung liegt die Auflösungsgrenze
im Bereich weniger Nanometer und darunter. Damit eignen sie sich sehr gut für
hochauflösende Mikroskopie.
Zwei wesentliche Hürden erschweren die konventionelle Linsen-basierende Röntgenmikroskopie:
Geringer Bildkontrast durch die schwacheWechselwirkung von harter Röntgenstrahlen mit Materie und
der Mangel an effizienten optischen Elementen. Bei Röntgenbestrahlung erscheint Materie transparent
und erlaubt den Blick in das Innere der Probe ohne sie in dünne Schnittpräparate unterteilen zu
müssen. Der Kontrast ungefärbter biologischer Proben kann durch weiches Röntgenlicht mit wenigen
Nanometern Wellenlänge verbessert werden. Linsen können komplett durch rechnergestützte phase
retrieval Algorithmen ersetzt werden und bilden die Grundlage für CXDI. Mit dieser Methode werden
kohärente Beugungsmuster aufgenommen und mithilfe der Algorithmen in ein Bild des beleuchteten
Objekts konvertiert.
Biologische Objekte werden üblicherweise mit den Standardmethoden der optischen Mikroskopie
untersucht. Strukturbiologie nutzt Kristallographie mit sub–Nanometer Auflösung. CXDI erlaubt
einen Auflösungsbreich von 200 nm bis 1 nm, welcher durch optische Mikroskopie und Kristallographie
nur schwer erreichbar ist. In der vorliegenden Arbeit werden Verbesserungen der CXDI
Methode anhand biologischer Objekte vorgestellt. Es wird ein single particle imaging Experiment
von der Rohdatenauswahl bis hin zur drei dimensionalen Rekonstruktion eines 70 nm kleinen Virus
beschrieben. Diese Daten wurden an der LCLS – XFEL Strahlungsquelle aufgenommen und die
Resultate zeigen die bisher höchste erreichte Auflösung (unter 10 nm) einer Virusrekonstruktion
ohne Symmetriebedingungen an die Messdaten. Für größere biologische Objekte im Bereich von
50 µm, wird hier die ptychographische CXDI Methode an der PETRA III Synchrotronstrahlungsquelle
beschrieben. Besonders hevorzuheben sind hier die erreichte Kohärenzanalyse sowie die quantitative
und zerstörungsfreie Bildgebung einer biologischen Zellprobe mit 54 nm Auflösung.
Coherent X-ray diffractive imaging (CXDI) is a novel microscopy technique that uses the unique X-ray properties of advanced synchrotron and X-ray free-electron laser (XFEL) radiation sources. According to Abbe’s theory, the wavelength of light sets the ultimate limit of resolution in microscopes. With X-rays the limit is at the order of a few nanometer or less, well suited for high resolution microscopy.Two major obstacles complicate lens-based conventional X-ray microscopy: Low contrast, as a result of the weak interaction of hard X-rays with matter and the lack of efficient image forming optics. The contrast of unstained specimen can be improved by the choice of the wavelength of only a few nanometer. However, the transparency of matter under X-ray illumination gives insight into the inner structure without slicing the specimen into thin sections. Lenses can be replaced entirely by computational phase retrieval algorithms which are at the heart of CXDI. In CXDI coherent diffraction patterns are measured and converted into images of the object under coherent illumination.Biological objects can be observed with the standard methods of visible light (VIS) microscopy. Structural biology uses sub–nanometer resolution crystallographic methods. CXDI is the technique that can address the resolution range between 200 nm to 1 nm which is otherwise difficult to reach with VIS microscopy or crystallographic methods. In this thesis methodological improvements in CXDI of biological samples are presented. Single particle imaging in three dimensions (3D) of a virus of 70 nm size using CXDI at LCLS XFEL sources is described, from raw data selection to the final 3D virus density reconstruction. This result represents the to date highest resolution (below 10 nm) virus reconstruction without imposing any symmetry constraints on the measured data. For larger specimen, on the order of 50 μm, the ptychographic CXDI method using the PETRA III synchrotron radiation source is described. Major highlights obtained in the research presented here are the coherence retrieval and quantitative and non-destructive imaging results at 54 nm resolution of a biological cell specimen obtained with ptychography.