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In der Arbeit haben wir die Grenzen der weit verbreiteten tomographischen Rekonstruktion von 3D-Proben mittels Transmissionsröntgenmikroskopie charakterisiert. Wir zeigen, dass die 3D-Auflösung mit diesem Ansatz durch die Schärfentiefe begrenzt ist. Zur Untersuchung von Alternativen führten wir Simulationen zur Bildentstehung in einem konfokalen Röntgenmikroskop und einem FIB-SXM durch. Wir zeigen, dass FIB-SXM ein vielversprechender Ansatz ist, der eine isotrope 3D-Aulösung um die 10 nm erreichen kann und zusätzlich ein drastisch verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bieten könnte. Wir stellen auch eine neue Holographiemethode vor, die sich für Vollfeldabbildungen mit kurzen kohärenten Röntgenpulsen als vorteilhaft erweisen und neue Einsichten in die ultraschnelle Physik liefern könnte., We have characterized the limitations of the most powerful and widely used 3D X-ray imaging approach, transmission X-ray microscopy with tomographic reconstruction. We show that 3D resolution in this approach is limited by the depth of field. To investigate alternatives, we perform simulations of a confocal transmission X-ray microscope and a FIB-SXM. We show that FIB-SXM is a very promising approach that could o er 3D isotropic resolution at 10 nm with dramatically improved signal to noise. We also introduce a new holography method that could prove bene cial for full eld imaging with short coherent X-ray pulses and yield new insights into ultrafast physics.

This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion, Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen

This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion, Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen