PSI研究人員用x射線顯微鏡觀察電腦芯片、催化劑、小塊骨頭或腦組織。由于x射線的短波長(zhǎng)，在納米范圍(百萬(wàn)分之一毫米)內(nèi)，比一粒沙粒結(jié)構(gòu)小一百萬(wàn)倍的細(xì)節(jié)都是可見(jiàn)的。與普通顯微鏡一樣，透鏡用來(lái)收集樣品散射的光，并在相機(jī)上形成放大的圖像。

然而，微小的結(jié)構(gòu)會(huì)以非常大的角度散射光線。為了獲得高分辨率的圖像，需要一個(gè)相應(yīng)的大鏡頭。PSI物理學(xué)家克勞斯·瓦科尼格說(shuō)：制造如此大的透鏡仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。然而對(duì)于x射線來(lái)說(shuō)，由于與透鏡材料的微弱相互作用，這就更加復(fù)雜了。

博科園-科學(xué)科普：因此，通常只能捕捉很小的角度，或者鏡頭效率很低。Wakonig和同事開(kāi)發(fā)新方法繞過(guò)了這個(gè)問(wèn)題，最后的圖像就像我們用一個(gè)大鏡頭測(cè)量過(guò)的。PSI小組使用了一種小而有效的透鏡，就像x射線顯微鏡中常用的那樣，將其移至理想透鏡能夠覆蓋的區(qū)域。這實(shí)際上創(chuàng)造了一個(gè)大的鏡頭。實(shí)際上用鏡頭走到不同的地方，在每個(gè)地方拍照，然后用計(jì)算機(jī)算法把所有的圖像組合起來(lái)，生成一張高分辨率的圖像。

從可見(jiàn)光到x射線

通常情況下，研究人員避免在儀器中移動(dòng)鏡頭遠(yuǎn)離光軸，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致圖像失真。然而，由于這種情況下的科學(xué)家知道透鏡的準(zhǔn)確位置，并照亮附近的許多點(diǎn)，他們可以重建光線是如何散射的，以及樣本的樣子。這種方法被稱為傅立葉葉脈造影，自2013年以來(lái)一直用于可見(jiàn)光區(qū)的顯微觀察。在PSI的實(shí)驗(yàn)中，研究人員首次將這一原理應(yīng)用于x射線顯微鏡。研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》上寫(xiě)道：據(jù)我們所知，迄今為止還沒(méi)有成功應(yīng)用x射線傅立葉葉脈造影的報(bào)道。

新方法不僅提供了更高的分辨率，而且提供了兩種互補(bǔ)的成像信息。首先，就像普通相機(jī)一樣，需要測(cè)量被拍攝物體吸收了多少光。此外，光的折射方式也被記錄下來(lái)。專家們談到吸收對(duì)比和相位對(duì)比。PSI波束線科學(xué)家Ana Diaz說(shuō)：我們的方法提供了相位對(duì)比度，這在其他情況下很難獲得，實(shí)際上是免費(fèi)的。這使得圖像的質(zhì)量更好，相位差甚至可以讓我們對(duì)被檢測(cè)樣品的材料特性得出結(jié)論，這在常規(guī)成像技術(shù)中通常是不可能的。

對(duì)生物樣本來(lái)說(shuō)尤其有趣

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員檢查的樣本是一個(gè)檢測(cè)器芯片。將來(lái)這種新方法可以用來(lái)揭示，例如當(dāng)氣體被加入催化劑時(shí)，催化劑是如何工作的，或者金屬在壓力下是何時(shí)以及如何斷裂的。同時(shí)，該方法也可以更好地研究組織和細(xì)胞聚集物。研究人員希望這將為阿爾茨海默病或肝炎等疾病的發(fā)展提供新見(jiàn)解。Diaz解釋了這種新方法的優(yōu)點(diǎn)：生物樣品通常沒(méi)有良好的吸收對(duì)比度。在這里，相位對(duì)比度可以顯著提高圖像質(zhì)量。此外，研究人員懷疑傅里葉葉脈描記術(shù)比以前的方法更溫和。與普通x射線顯微鏡相比，這種新方法需要更低劑量的輻射，因?yàn)樗行В@對(duì)生物樣本的研究可能尤其有趣。

研究人員在瑞士光源SLS的cSAXS光束線上建立了他們的演示設(shè)備。迪亞茲說(shuō)：目前，這些實(shí)驗(yàn)仍然非常復(fù)雜，需要大量的時(shí)間。要使新方法奏效，所使用的x射線必須是一致：正如研究人員所說(shuō)，它們必須是一致的，這類實(shí)驗(yàn)?zāi)壳靶枰猄LS等大型研究設(shè)施。但是Wakonig也在研究這種方法是否可以用較少的一致性來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果這項(xiàng)技術(shù)可以用于在通常的實(shí)驗(yàn)室x射線源檢查樣品，那么將開(kāi)辟許多其他的應(yīng)用領(lǐng)域。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:??Paul Scherrer研究所

Barbara Vonarburg,?Paul Scherrer Institute

參考期刊文獻(xiàn):《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV0282

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