In questo capitolo daremo alcune applicazioni, estremamente interessanti, sulla possibilità di generare immagini di campioni biologici utilizzando come sorgente di radiazione quella emessa dal sistema laser plasma descritto nei capitoli precedenti. Il rapido sviluppo, infatti, di differenti sorgenti EUV e X-soft (laser plasma, come quella sviluppata nel nostro laboratorio, radiazione di sincrotrone, laser a raggi X) mostrano la possibilità, estremamente interessante, di diverse applicazioni alle scienze fisiche, scienze dei materiali e indagini di carattere biomedicale1,2,3,4,5. Queste applicazioni, che
presenteremo, sono essenzialmente due: la microscopia a contatto a raggi X-soft, mediante l’uso di rivelatori basati sul cristalli di Fluroro di Litio (LiF) e la microradiografia, mediante radiazione X-soft, su pellicole RAR e le prime immagini ottenute mediante l’uso di una CCD. Prima di presentare i dati è necessario fare una breve introduzione sulle due tecniche e accennare le possibili potenzialità, che a differenza di quelle già in uso, le candidano come tecniche di punta per l’indagine di campioni biologici.
4.1 Il Floruro di Litio utilizzato come rivelatore di radiazione EUV
Molti materiali sono sensibili alle radiazioni ionizzanti e, una volta tarati, possono essere utilizzati come dosimetri. Un materiale molto interessante sul piano applicativo è quello noto come Fluoruro di Litio (LiF). Mostra buone proprietà di non igroscopicità e può essere cresciuto facilmente, sia sotto forma di cristallo che sotto forma di film sottili, mediante l’uso di tecniche classiche di deposizione per evaporazione termica o sputtering. Dal punto di vista ottico il materiale è trasparente in un vasto intervallo spettrale, che si estende dal vicino UV al vicino IR, ospitando difetti elettronici primari ed aggregati conosciuti come centri di colore. Sono proprio questi centri di colore il punto chiave, che permettono di utilizzare i LiF come dosimetri e rivelatori ad alta risoluzione.6 Ma entriamo più in dettaglio sulla struttura
di questi cristalli. La struttura del cristallo, come per altro avviene per gli altri cristalli alcalini, è costituita da serie ordinata di atomi di Litio (anioni) circondati da
cristalli presentano centri di colore stabili (indicati in Figura 1) e caratterizzati da una vacanza anionica rimpiazzata da un elettrone. I centri, che presentano un solo elettrone, sono noti come centri di tipo F mentre quelli ottenuti dalla vicinanza di due o tre elettroni sono noti come centri di tipo F2 o F3. Differenti tipi di centri di colore possono essere generati bombardando mediante radiazione ionizzante come raggi X o raggi γ.7
Figura 1. Struttura del Fluoruro di Litio dove vengono evidenziati i centri di colore tipici dei cristalli alogenuro alcalini. Se una vacanza anionica è rimpiazzata da un elettrone si crea un centro F. Se si vengono a determinare 2 vacanze contigue si generano i centri di tipo F2. Se si hanno 3 vacanze
contigue su piani diversi allora si creano i centri di tipo F3.
I centri F e F2 sono presenti naturalmente nei cristalli o film di LiF. I centri di colore stabili (CCs), se opportunamente eccitati con radiazione ottica (pompati), possono emettere luce visibile anche a temperatura ambiente. Poiché i centri di colore possono avere dimensioni inferiori ad 1nm8 la concentrazione dei centri di colore può
raggiungere valori dell’ordine di 1019 ÷ 1020 centri/cm-3, e possono essere in grado,
quindi, di generare immagini con elevata risoluzione spaziale (moto più piccola del micron che potrebbe al limite raggiungere le distanze interatomiche del reticolo di LiF) quando radiazione ionizzante infeste il cristallo di LiF. La radiazione di alta energia, altamente penetrante, come raggi X e γ, non è utilizzabile per generare strati di centri di colore sottili, con cammini controllati per la produzione di aree colorate ad elevata risoluzione spaziale. Al contrario quello, che vogliamo qui mostrare, che la bassa penetrazione di radiazione X-Soft e EUV potrebbe generare colorazioni dei cristalli di LiF in tempi di esposizione estremamente brevi9. L’idea di fondo è quella
di generare immagini di campioni biologici in vivo al più con una sola esposizione, che significherebbe eseguire indagini ad alta risoluzione di sistemi cellulari in vivo cioè
4.2 Colorazione dei LiF mediante radiazione ionizzante
Come già osservato nel paragrafo precedente i cristalli di LiF possono contenere CCs a temperatura ambiente. L’energia di gap, infatti, (band gap) è di circa 14eV il che significa che questi centri non possono essere generati se non irradiando il materiale con radiazione EUV. Questo permette di utilizzare questi cristalli senza la deposizione di alcun filtro di protezione al di sopra e possono essere tranquillamente esposti alla luce ambiente. Inoltre, la distanza catione anione nel reticolo LiF è la minore di tutti gli altri alogenuro alcalini e materiali dielettrici. Questo da’ la possibilità di ottenere CCs raggiungendo elevati valori di risoluzione spaziale. Il numero di difetti primari di tipo F (centri F) giocano un ruolo fondamentale nella formazioni di centri aggregati di tipo più complesso F2 e F3
+F
2.10,11 Per applicazioni pratiche la formazione di questi centri colore ha un vantaggio particolare perché mostrano un’attività ottica nel visibile. Questi centri, inoltre, mostrano bande di assorbimento piccate intorno a 450nm e, quindi, possono essere eccitati dalla stessa sorgente di pompa che emette ad una singola lunghezza d’onda121314.
Come già osservato i cristalli di LiF possono essere cresciuti o depositati in film sottili mediante differenti tecniche. In quest’ultimo caso il LiF assume una configurazione policristallina in grado di ospitare una densità naturale di centri di colore di tipo F e F2 maggiore. Questo implica che quando vengono esposti due LiF, il primo cristallino ed il secondo policristallino, alla stessa intensità di radiazione ionizzante, il numero di centri di colore che si formano è predominate nella struttura policristallina. Questo da come risultato che la struttura policristallina irradiata mostra una sensibilità maggiore poiché l’intensità di emissione dipende dal numero di centri formati come è visibile in Figura 3.
Figura 2. Assorbimento normalizzato (curva in alto) e bande di emissione dei centri di colore +
2 3
F F nel LiF a temperatura ambiente.
500 550 600 650 700 750 800 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6