ศูนย์เร่งอนุภาควิจัยทางรังสีวิทยา ( RARAF ) ^{[ 1 ]}ซึ่งตั้งอยู่ใน วิทยาเขตห้อง ปฏิบัติการเนวิสมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ในเมืองเออร์วิงตันรัฐนิวยอร์กเป็นศูนย์ทรัพยากรเทคโนโลยีชีวภาพ (P41) ^{[ 2 ]}ของสถาบันแห่งชาติเพื่อการถ่ายภาพทางการแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพซึ่งเชี่ยวชาญด้าน เทคโนโลยี ไมโครบีมปัจจุบันสิ่งอำนวยความสะดวกนี้สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค Singletron 5MV ซึ่งคล้ายกับเครื่องเร่งอนุภาคVan de Graaff

ไมโครบีม RARAF สามารถสร้างผลลัพธ์ที่มีความถูกต้องและเที่ยงตรงสูงได้ดังนี้:

• อนุภาคอัลฟา 70-120 keV/μm
• โปรตอน 8-25 keV/μm
• จุดลำแสงโฟกัสขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.6 ไมโครเมตร
• อัตราการประมวลผล 10,000 เซลล์ต่อชั่วโมง

RARAF เกิดขึ้นจากแนวคิดของวิกเตอร์ พี. บอนด์ และฮาราลด์ เอช. รอสซี ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 จุดมุ่งหมายของพวกเขาคือการจัดหาแหล่งกำเนิดนิวตรอน โมโนเอนเนอร์เจติก ที่ออกแบบและใช้งานโดยเฉพาะสำหรับการศึกษาด้านชีววิทยารังสีการวัดปริมาณรังสี และการวัดปริมาณรังสีระดับจุลภาค สิ่งอำนวยความสะดวกนี้สร้างขึ้นโดยใช้ เครื่องเร่งอนุภาคแวน เดอ กราฟ ฟ์4 MV ซึ่งเดิมทำหน้าที่เป็นตัวฉีดสำหรับคอสโมตรอน เครื่องเร่งอนุภาค 2 GeVที่ใช้งานที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน (BNL) ในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960

เครื่องเร่ง อนุภาค RARAF ปฏิบัติงานที่ BNL ตั้งแต่ปี 1967 จนถึงปี 1980 เมื่อถูกรื้อถอนเพื่อเปิดทางให้กับโครงการ ISABELLEซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่มาก แต่ก็ไม่เคยสร้างเสร็จสมบูรณ์ ต่อมาได้พบสถานที่ใหม่สำหรับ RARAF ที่ห้องปฏิบัติการเนวิสของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียซึ่งกำลังมีการรื้อถอนเครื่องไซโคลตรอนอยู่ กระทรวงพลังงานของสหรัฐฯได้ให้ทุนสนับสนุนการย้าย RARAF ไปยังห้องปฏิบัติการเนวิสและประกอบใหม่ในอาคารหลายชั้นแห่งใหม่ที่สร้างขึ้นภายในอาคารไซโคลตรอน เครื่อง RARAF ใหม่นี้ได้เริ่มใช้งานเพื่อการวิจัยอย่างสม่ำเสมอตั้งแต่กลางปี ​​1984

RARAF เป็นหนึ่งในสามสิ่งอำนวย ความสะดวก ไมโครบีม แรก ^{[ 3 ]}ที่ถูกสร้างขึ้น และเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกไมโครบีมดั้งเดิมเพียงแห่งเดียวที่ยังคงดำเนินการอยู่

ในปี 2006 หม้อแปลง Van de Graaffถูกแทนที่ด้วยหม้อแปลง Singletron ขนาด 5 MV จากบริษัท High Voltage Engineering Europa (HVEE) ในประเทศ เนเธอร์แลนด์

ในฐานะศูนย์ทรัพยากรด้านเทคโนโลยีชีวภาพของ NIBIB นั้น RARAF ทุ่มเทให้กับการพัฒนาและปรับปรุงเทคโนโลยีไมโครบีม โดยมุ่งเน้นการพัฒนาเทคนิคการสร้างภาพเพิ่มเติมให้กับไมโครบีมที่มีอยู่เดิม นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาไมโครบีมจากนิวตรอนและรังสีเอ็กซ์ด้วย ตัวอย่างของการพัฒนาไมโครบีมบางส่วนแสดงไว้ด้านล่าง

เพื่อรวมอนุภาคที่มีประจุในลำแสงไมโคร RARAF จึง ใช้ เลนส์ไฟฟ้าสถิตที่ประกอบด้วยควอดรูโพลหกตัว จัดเรียงเป็นสองกลุ่ม กลุ่มละสามตัว โดยแต่ละควอดรูโพลที่อยู่ติดกันหมุนไป 90° รอบแกนของมัน แต่ละกลุ่มควอดรูโพลประกอบด้วยแท่งเซรามิก 4 แท่งที่เคลือบด้วยอิเล็กโทรดทองคำ การออกแบบนี้ช่วยให้ควอดรูโพลทั้งสามในกลุ่มเรียงตัวกันอย่างถูกต้อง และทำให้มีช่องว่างระหว่างขั้วเล็กและคุณสมบัติการโฟกัสที่ดีขึ้น

เนื่องจากลักษณะของไมโครบีม RARAF ทำให้สามารถกำหนดเป้าหมายย่อยเซลล์ เช่น นิวเคลียสของเซลล์หรือไซโตพลาสซึมของเซลล์ได้มานานหลายปีแล้ว ด้วยลำแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่าไมโครเมตรที่สามารถใช้งานได้เป็นประจำ ทำให้สามารถเข้าถึงเป้าหมายเพิ่มเติมภายในระบบเซลล์ได้ ตัวอย่างเช่น การทดลองการฉายรังสีเบื้องต้นที่กำหนดเป้าหมายไปที่ไมโตคอนเดรียได้ดำเนินการกับเซลล์เยื่อบุผิวทางเดินหายใจขนาดเล็ก^{[ 1 ]}

ระหว่างการฉายรังสีไมโครบีม เซลล์ที่จะถูกฉายรังสีจะถูกเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งลำแสงโดยใช้แท่นวางแบบเพียโซอิเล็กทริกสามแกนความเร็วสูงและความละเอียดสูง^{[ 4 ]}เพื่อลดเวลาในการกำหนดเป้าหมายลงอีก และใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าไมโครบีมที่โฟกัสแล้วนั้น แตกต่างจากไมโครบีมแบบคอลลิเมตตรงที่ไม่ถูกจำกัดอยู่ที่ตำแหน่งเดียวบนหน้าต่างทางออกของเครื่องเร่งอนุภาค เราจึงได้นำตัวเบี่ยงเบนความเร็วสูงแบบขดลวดแม่เหล็กมาใช้ โดยวางไว้ระหว่างควอดรูโพลสามตัว ซึ่งช่วยให้สามารถเบี่ยงเบนลำแสงไปยังตำแหน่งใดก็ได้ในขอบเขตการมองเห็นของกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้สังเกตเซลล์ระหว่างการฉายรังสี การเคลื่อนย้ายลำแสงไปยังตำแหน่งเซลล์ด้วยแม่เหล็กนั้นสามารถทำได้เร็วกว่าการเคลื่อนย้ายแท่นวางมาก ตัวเบี่ยงเบนที่ใช้ในระบบนี้สามารถเคลื่อนย้ายลำแสงไปยังตำแหน่งต่างๆ ได้มากถึง 1,000 ตำแหน่งต่อวินาที ซึ่งเร็วกว่าความเร็วในการเคลื่อนที่ของแท่นวางมากกว่า 5 เท่า ช่วยลดเวลาในการฉายรังสีลงอย่างมาก

ไมโครบีม RARAF เพิ่มไมโครบีมเอ็กซ์เรย์โดยใช้เอ็กซ์เรย์ Kα ที่มีลักษณะเฉพาะจากไทเทเนียม (Ti) เอ็กซ์เรย์จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้ระบบเลนส์ไฟฟ้าสถิตเพื่อโฟกัสโปรตอนไปยังเป้าหมายไทเทเนียมหนา เอ็กซ์เรย์ที่สร้างขึ้นจะถูกลดขนาดลงโดยใช้แผ่นโซน การใช้ไมโครบีมโปรตอนที่โฟกัสแล้วเพื่อสร้างเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะ ทำให้สามารถได้ลำแสงเอ็กซ์เรย์เกือบเป็นเอกรงค์ (ผลผลิตเบร็มส์ตรัลลุงต่ำมาก) และแหล่งกำเนิดเอ็กซ์เรย์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 ไมโครเมตร) ซึ่งช่วยลดความต้องการของแผ่นโซนลง

การใช้ไมโครบีมเอ็กซ์เรย์พลังงานต่ำมีประโยชน์อย่างมากทั้งในด้านกลไกและการประเมินความเสี่ยง ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่สูงขึ้นซึ่งสามารถทำได้ด้วยองค์ประกอบเลนส์เอ็กซ์เรย์ที่ทันสมัยในปัจจุบัน ผนวกกับความเสียหายเฉพาะจุดที่เกิดจากการดูดซับโฟตอนพลังงานต่ำ (~1 keV) ทำให้เป็นเครื่องมือพิเศษในการตรวจสอบความไวต่อรังสีของเป้าหมายระดับเซลล์ย่อยและในที่สุดก็ระดับนิวเคลียสย่อย นอกจากนี้ เนื่องจากเอ็กซ์เรย์พลังงานต่ำมีการกระเจิงน้อยมาก การใช้เอ็กซ์เรย์ที่มีพลังงานประมาณ ~5 keV จะทำให้สามารถฉายรังสีเซลล์แต่ละเซลล์และ/หรือส่วนของเซลล์ได้อย่างแม่นยำในระดับไมโครเมตร ลึกถึงหลายร้อยไมโครเมตรภายในตัวอย่างเนื้อเยื่อ เพื่อตรวจสอบความเกี่ยวข้องของผลกระทบต่างๆ เช่น ผลกระทบข้างเคียงในระบบเซลล์ที่มีโครงสร้าง 3 มิติ

RARAF ยังเป็นสถานที่สำหรับนักชีววิทยาที่สนใจทำการศึกษาด้วยไมโครบีม หัวข้อวิจัยที่โดดเด่นซึ่งดำเนินการโดยใช้ไมโครบีมของ RARAF คือการส่งสัญญาณความเสียหาย ทั้งภายในเซลล์และระหว่างเซลล์ ซึ่งเป็นที่น่าสนใจส่วนหนึ่งเนื่องจากการค้นพบผลกระทบของรังสีต่อเซลล์ข้างเคียง การศึกษาการส่งสัญญาณระหว่างเซลล์ในระยะแรกทำโดยใช้เซลล์ที่เพาะเลี้ยงในรูปแบบโมโนเลเยอร์ 2 มิติ เมื่อไม่นานมานี้ เนื่องจากความสำคัญของสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์และการพัฒนาทางเทคโนโลยี การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับระบบเนื้อเยื่อ 3 มิติ^{[ 5 ] [ 6 ]}รวมถึงสิ่งมีชีวิต^{[ 7 ]}จึงเป็นที่นิยมมากขึ้น

RARAF กำลังพัฒนา อุปกรณ์ ไมโครฟลูอิดิกส์ หลากหลายชนิด ซึ่งจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการฉายรังสีของสถานที่ การควบคุมและการจัดการของเหลวและวัสดุชีวภาพอย่างแม่นยำที่ทำได้โดยไมโครฟลูอิดิกส์นั้นเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่อกับลำแสงไมโคร นอกจากนี้ ยังมีระบบไมโครฟลูอิดิกส์เพิ่มเติมที่อยู่ระหว่างการพัฒนา นอกเหนือจากที่ระบุไว้ในที่นี้

ระบบไมโครบีมแบบ Flow and Shoot ช่วยให้สามารถควบคุมการขนส่งเซลล์ผ่านช่องไมโครฟลูอิดิกซึ่งตัดกับไมโครบีมแบบชี้และยิงได้^{[ 8 ]}กล้องความเร็วสูงช่วยให้สามารถกำหนดเป้าหมายเซลล์ที่ไหลได้อย่างแม่นยำด้วยอัตราการไหล 1–10 มม./วินาที ทำให้สามารถประมวลผลเซลล์ได้ทั้งหมดมากกว่า 100,000 เซลล์ต่อชั่วโมง

แพลตฟอร์มแหนบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการเชื่อมต่อกับไมโครบีม RARAF ^{[ 9 ]} ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมตำแหน่งของเซลล์ได้อย่างแม่นยำก่อน ระหว่าง และหลังการฉายรังสี

RARAF ได้นำแพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกมาใช้เพื่อตรึงCaenorhabditis elegansระหว่างการฉายรังสีไมโครบีม^{[ 10 ]}อุปกรณ์นี้หลีกเลี่ยงการใช้ยาสลบที่อาจรบกวนกระบวนการทางสรีรวิทยาปกติโดยการจับ หนอน C. elegans ไว้ในช่องไมโครฟลูอิดิกแบบเรียว เทคโนโลยีนี้ ช่วยให้สามารถกำหนดเป้าหมายไปยังบริเวณที่สนใจเฉพาะภายในC. elegans ได้

การฉายรังสีแบบลำแสงกว้างก็เป็นไปได้เช่นกัน อนุภาคที่มีการถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET) ระหว่าง 10 ถึง 200 keV/μm สามารถใช้งานได้โดยใช้ลำแสงของโปรตอน ดิวเทอรอน ไอออนฮีเลียม-3 และฮีเลียม-4 นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ นิวตรอนพลังงานสูงและนิวตรอนความร้อนรวมถึงรังสีเอ็กซ์ ในการฉายรังสีแบบลำแสงกว้างได้อีกด้วย

RARAF ได้ฝึกอบรมนักวิทยาศาสตร์ทุกระดับ ตั้งแต่นักเรียนมัธยมปลาย นักศึกษาปริญญาตรี นักศึกษาปริญญาโท นักวิจัยหลังปริญญาเอก และนักวิทยาศาสตร์อาวุโส ห้องปฏิบัติการประเมินว่ามีนักวิทยาศาสตร์ประมาณ 45 คนได้รับการฝึกอบรมด้านฟิสิกส์และ/หรือชีววิทยาของลำแสงขนาดเล็กในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา

RARAF เป็นผู้มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในโครงการประสบการณ์การวิจัยสำหรับนักศึกษาระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย

นอกจากนี้ RARAF ยังกลายเป็น ศูนย์ฝึกอบรม อย่างไม่เป็นทางการสำหรับผู้พัฒนาไมโครบีมรุ่นใหม่หลักสูตรฝึกอบรมไมโครบีมเสมือนจริงพร้อมด้วยวิดีโอและเอกสารประกอบการเรียน ก็มีให้บริการทางออนไลน์เช่นกัน