Kurzfassung
Mit steigender Bedeutung von Nanomaterialien, vermehrtem Interesse an Nanoteilchen für medizinische Anwendungen und der generellen Interaktion vom Nanoteilchen und biologischen Systemen, sind Analyse- und Bildgebungsmodalitäten notwendig, die kleinste Konzentrationen auf kleinsten Skalen auflösen können ohne das fragliche Objekt zu zerstören. Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist ein vielversprechender Kandidat für diese Anforderungen.
In dieser Arbeit wurden Herausforderungen und Chancen von Synchrotron gestützter Röntgenfluoreszenzbildgebung an Objekten mittlerer Größe dargelegt.
Analysen zur Fluoreszenzausbeute in Abhängigkeit von Bestrahlungsenergie, verwendetem Markierungselement und Phantomgrößen von 1 und 10 mm Radius mit Berücksichtigung von Signaluntergrund durch Compton Streuung oder Detektoreffekten wurden angestellt um optimale Parameter für Röntgenfluoreszenzbildgebung zu eruieren. Zu erwartender Untergrund, durch Streuung primärer polarisierter Röntgenstrahlung im Phantom, wurde mit GEANT4 Simulationen von sphärischen Wasserphantomen mit Radien von 1 bis 50 mm sowohl räumlich als auch spektral für Energien von 5 bis 110 keV untersucht. Experimentelle Studien von biologisch und medizinisch relevanten Proben wurden an dem PETRA III Synchrotron durchgeführt.
Mit niederenergetische Gold L Schalen Fluoreszenz wurde die Aufnahmemenge von PSAMi+ und MUA funktionalisierten Goldnanoteilchen in PC3 Zellen, Prostata Tumor Zellen, untersucht. In Proben von 622 und 311 bestrahlten Zellen konnten Aufnahmemengen von weniger als 1 pg bestimmt werden. Räumliche Verteilungen des, im MRT Kontrastmittel Gadovist enthaltenen, Gadoliniums konnten mit mittlerer Fluoreszenzenergie von 42 keV in einem Rattenknochen aufgelöst werden. Die durch Strahlgröße skalierbare räumliche Auflösung wurde hier mit Pixelgrößen von 1x1 mm^2, 0.2x0.2 mm^2 and 0.1x0.1 mm^2 demonstriert und ermöglichte trotz großflächigem Scan die Detektion von kleinsten lokalen Einschlüssen mit Konzentration von über 500 µg/g(Knochen). Simultane multimodale hochenergetische K Schalen Röntgenfluoreszenz mit den Elementen Iridium, Platin, Gold und Bismuth wurde demonstriert und zeigte im Vergleich mit Einzelelementbildgebung nur wenig Sensitivitätsverlust. Simultane multimodale Anwendungen von Röntgenfluoreszenzbildgebung erscheinen daher sinnvoll, sofern betrachtete Spurenelemente in geringer Konzentration in der Probe vorliegen. Experimentelle Arbeiten am Synchrotron mit einem Schwerpunkt auf biologischen und medizinischen Fragestellungen dienten zur Demonstration der vielseitigen Anwendbarkeit von Röntgenfluoreszenzbildgebung im Kontext mit zellulärer Nanoteilchenaufnahme und der Bildgebung von Residuen schwerer Elemente in Organismen.
The increasing interest in nano materials, nano medicine and general applications of nano particles in biological systems demands imaging and analysis methods which meet the requirements of small concentrations and smallest scales without applying destructive force. Synchrotron-based X-ray fluorescence imaging (XFI) is a promising modality for such applications. This work describes hurdles and opportunities of mono energetic pencil beam synchrotron-radiation-based XFI in theory and experiment, probing various tracers in medium sized targets. With numerical studies the parameter space of incident beam energy, tracer element and phantom size was explored for best fluorescence yield. Kα1, Kβ1, and Lα1 fluorescence yield calculations of 1 µg tracers in spherical water phantoms with radii of 1 mm and 10 mm irradiated with mono energetic photons from 10 to 100 keV are shown for all stable elements, relevant background phenomena are also displayed. Potential background by scattered polarized photons is studied spatially and spectrally with GEANT4 simulations for water phantoms with radii of 1 mm to 50 mm covering energies from 5 to 110 keV. Experimental studies on medically an biologically relevant probes were performed at the PETRAIII synchrotron. Low energy gold L-shell fluorescence was used experimentally to determine sub pg cellular uptake of PSMAi+ and MUA functionalized gold nano particles in PC3 cells with smallest irradiated sample sizes of 622 and 311 cells. Medium energy gadolinium K-shell fluorescence was applied to image gadolinium based MRI contrast agent Gadovist residuals in a rat bone. Here the XFI quality of beam size dependent spacial resolution was demonstrated with pixel size of 1x1 mm^2, 0.2x0.2 mm^2 and 0.1x0.1 mm^2, allowing for area scans with locally increased spatial resolution. Highly localized gadolinium concentrations of over 500 µg/g(bone) thereby were found. A multi modal approach of heavy element K-shell fluorescence, using platinum, iridium, gold and bismuth, imaging of all four elements simultaneously was demonstrated and compared to sensitivities of single element imaging. Only high concentrations yielded significant sensitivity losses compared to single element usage, therefore multi mode XFI is as viable as single element tracer usage if moderate concentrations are expected.