Комптоновская рентгеновская микроскопия биологических объектов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-44-06001

НазваниеКомптоновская рентгеновская микроскопия биологических объектов

Руководитель Толбанов Олег Петрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №20 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (Helmholtz)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые слова комптоновская микроскопия, кристаллография белка, разработка детекторов, GaAs сенсоры, рентгеновское излучение, биологические объекты

Код ГРНТИ62.99.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность проекта обусловлена потребностью в улучшении качества биомедицинских исследований, проводимых с использованием рентгеновской микроскопии за счет снижения дозовой нагрузки на объект исследования и улучшения качества получаемого изображения. Известно, что сильной стороной рентгеновской микроскопии при проведении различных биомедицинских исследований является возможность визуализации относительно больших объектов, таких как срезы тканей и даже небольших органов модельных организмов, таких как мышь. Однако большие дозы рентгеновского излучения, необходимые для получения трехмерного изображения биологических образцов с высоким пространственным разрешением, неизбежно приводят к повреждению исследуемого образца и, тем самым, к значительному ограничению уровня детализации изображения. В настоящее время, в рентгеновской микроскопии высокого разрешения на основе рэлеевского (когерентного) рассеяния используется рентгеновское излучение с энергией до 10 кэВ. При этих энергиях основным механизмом, ответственным за повреждения исследуемых образцов, является передача значительной части энергии рентгеновского излучения объекту исследования за счет фотоэлектрического поглощения. Подобная проблема характерна и для экспериментов в области исследований структуры белковых молекул - кристаллография белков. Образцы белков также допускают облучение рентгеновским излучением только в течение ограниченного времени, после которого они необратимо повреждаются. Научная новизна проекта заключается в идее использовать эффект комптоновского (некогерентного) рассеяния рентгеновского излучения для снижения дозовой нагрузки на объект исследования и улучшения пространственного разрешения получаемого изображения. Комптоновское рассеяние характеризуется тем, что лишь небольшая часть энергии рентгеновского излучения поглощается в объекте исследования, что приводит к уменьшению скорости деградации исследуемых объектов во время эксперимента. Кроме того, изображение, полученное на основе комптоновского рассеяния, будет характеризоваться большим количеством событий (то есть более высоким отношением сигнала к шуму) для фиксированной дозы облучения, по сравнению с изображениями, полученными на основе эффекта фотопоглощения или когерентного рассеяния. Доминирование эффекта комптоновского рассеяния над фотоэлектрическим поглощением и рэлеевским рассеянием, при облучении биологических объектов, достигается путем повышения энергии рентгеновского излучения до 30 кэВ и выше. Повышение энергии рентгеновских квантов определяет необходимость разработки и изготовления специализированного пиксельного детектора на основе матричных арсенид галлиевых сенсоров большой площади, что является одной из наиболее важных частей проекта. Проект объединяет такие области науки как биомедицина, передача и обработка большого объема данных. Высокоскоростная передача данных и многомерное сканирование образцов генерируют чрезвычайно большие объемы данных, обычно сотни Гбайт на образец, которые требуют усовершенствований в сборе и обработке данных для своевременного анализа и реконструкции изображения исследуемого образца. В рамках выполнения проекта исследования будут проводиться по следующим направлениям: - разработка математических методов обработки регистрируемого рентгеновского изображения для восстановления структуры исследуемого объекта и подготовка специализированного программного обеспечения; - разработка и изготовление специализированных рентгеновских линз (многослойные линзы Лауэ), работающие в диапазоне энергий около 30 кэВ; - оптимизация характеристик HR GaAs материала и изготовление матричных сенсоров большой площади на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs), оптимизированных для работы в области энергий квантов 30 кэв и выше; - разработка и изготовление многоэлементного матричного детектора на основе HR GaAs сенсоров; - разработка и изготовления системы сбора и передачи большого объема данных с детектора. - проведение экспериментов с использованием комптоновской рентгеновской микроскопии биологических объектов и анализ результатов. Таким образом, проект сочетает в себе как фундаментальные исследования в области разработки HR GaAs материала и усовершенствовании методики реконструкции структуры исследуемого объекта, так и поисковые исследования способов оптимального использования всей информации, получаемой в эксперименте по мультимодальной визуализации в области рентгеновской микроскопии биологических объектов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. И. Щербаков, П. Щербаков, И. Колесникова, А. Лозинская, Т. Михайлов, О. Толбанов, А.Тяжев, А. Зарубин The influence of contact material and its fabrication on X-ray HR-GaAs:Cr sensor noise characteristics Journal of Instrumentation (год публикации - 2018)

2. А. Лозинская, И. Щербаков, И. Колесникова, Т. Михайлов, В. Новиков, А. Шемерянкина, О. Толбанов, А. Тяжев, А. Зарубин. Charge collection efficiency dependencies on temperature for GaAs:Cr X-ray sensors Journal of Instrumentation (год публикации - 2018)

3. В.М. Калыгина, Т.З. Лыгденова, В.А. Новиков, Ю.С. Петрова, А.В. Цымбалов Структура и свойства пленок оксида галлия, полученных ВЧ магнетронным напылением Физика и техника полупроводников (год публикации - 2019)

4. А. Лозинская, И. Щербаков, И. Колесникова, Т. Михайлов, В. Новиков, А. Шемерянкина, О. Толбанов, А. Тяжев, А. Зарубин. Detailed analysis of quasi-ohmic contacts to high resistive GaAs:Cr structures Journal of Instrumentation (год публикации - 2019)

5. И. Щербаков, А. Лозинская, П. Щербаков, Т. Михайлов, В. Новиков, А. Шемерянкина, О. Толбанов, А. Тяжев, А. Зарубин, Д. Белоплотов, В. Тарасенко Response of HR-GaAs:Cr sensors to subnanosecond X- and β-ray pulses Journal of Instrumentation (год публикации - 2020)

6. Вера Калыгина, Алекей Алмаев, Юлианна Петрова, Евгений Черников Anomalous temperature dependence of the electrical conductivity of Metal/β-Ga2O3 /n-Si Superlattices and Microstructures (год публикации - 2020)

7. И. Щербаков, Л.Шаймерденова, А.Тяжев, П. Щербаков, И.Колесникова, А.Лозинская, Т.Михайлов, А.Шемерянкина, М.Скакунов, О.Толбанов, А.Зарубин Methods of charge-carrier mobility measurements in HR GaAs:Cr material Journal of Instrumentation (год публикации - 2021)

8. А. Лозинская, М.Ч. Виале, И. Колесникова, В. Новиков, О. Толбанов, А. Тяжев, Р. М. Веазе и А. Зарубин Influence of temperature on the energy resolution of sensors based on HR GaAs:Cr Journal of Instrumentation (год публикации - 2021)

9. В.М. Калыгина, А.В. Алмаев, В.А. Новиков, Ю.С. Петрова Solar-blind UV detectors based on -Ga2O3 films Физика и техника полупроводников, том 54, вып. 6, стр.575-579 (год публикации - 2020)
10.1134/S1063782620060093

Публикации