博科园:本文为光学和光子学类

PSI研讨人员用x射线显微镜调查电脑芯片、催化剂、小块骨头或脑安排。由于x射线的短波长,在纳米规模(百万分之一毫米)内,比一粒沙粒结构小一百万倍的细节都是可见的。与一般显微镜相同,透镜用来搜集样品散射的光,并在相机上构成扩大的图画。可是,细小的结构会以非常大的视点散射光线。为了取得高分辨率的图画,需求一个相应的大镜头。PSI物理学家克劳斯·瓦科尼格说:制作如此大的透镜依然具有极大的挑战性。可是关于x射线来说,由于与透镜资料的弱小相互作用,这就愈加杂乱了。

博科园-科学科普:因而,一般只能捕捉很小的视点,或许镜头功率很低。Wakonig和搭档开发新办法绕过了这个问题,最终的图画就像咱们用一个大镜头丈量过的。PSI小组运用了一种小而有用的透镜,就像x射线显微镜中常用的那样,将其移至抱负透镜能够掩盖的区域。这实际上发明了一个大的镜头。实际上用镜头走到不同的当地,在每个当地摄影,然后用计算机算法把一切的图画组合起来,生成一张高分辨率的图画。

从可见光到x射线

一般情况下,研讨人员防止在仪器中移动镜头远离光轴,由于这或许导致图画失真。可是,由于这种情况下的科学家知道透镜的精确方位,并照亮邻近的许多点,他们能够重建光线是怎么散射的,以及样本的姿态。这种办法被称为傅立叶叶脉造影,自2013年以来一向用于可见光区的显微调查。在PSI的试验中,研讨人员初次将这一原理运用于x射线显微镜。研讨人员在《科学开展》上写道:据咱们所知,迄今为止还没有成功运用x射线傅立叶叶脉造影的报导。

  • Klaus Wakonig和Ana Diaz(从左到右),以及PSI的其他研讨人员,第一次将傅里叶叶尘谱仪的原理运用到x射线显微镜上。图片:Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

新办法不只供给了更高的分辨率,并且供给了两种互补的成像信息。首要,就像一般相机相同,需求丈量被拍照物体吸收了多少光。此外,光的折射办法也被记录下来。专家们谈到吸收比照和相位比照。PSI波束线科学家Ana Diaz说:咱们的办法供给了相位比照度,这在其他情况下很难取得,实际上是免费的。这使得图画的质量更好,相位差乃至能够让咱们对被检测样品的资料特性得出结论,这在惯例成像技能中一般是不或许的。

对生物样本来说特别风趣

在试验中,研讨人员查看的样本是一个检测器芯片。将来这种新办法能够用来提醒,例如当气体被参加催化剂时,催化剂是怎么作业的,或许金属在压力下是何时以及怎么开裂的。一起,该办法也能够更好地研讨安排和细胞集合物。研讨人员期望这将为阿尔茨海默病或肝炎等疾病的开展供给新见地。Diaz解说了这种新办法的长处:生物样品一般没有杰出的吸收比照度。在这里,相位比照度能够明显进步图画质量。此外,研讨人员置疑傅里叶叶脉描记术比曾经的办法更温文。与一般x射线显微镜比较,这种新办法需求更低剂量的辐射,由于它更有用,这对生物样本的研讨或许特别风趣。

研讨人员在瑞士光源SLS的cSAXS光束线上建立了他们的演示设备。迪亚兹说:现在,这些试验依然非常杂乱,需求很多的时刻。要使新办法见效,所运用的x射线有必要是共同:正如研讨人员所说,它们有必要是共同的,这类试验现在需求SLS等大型研讨设备。可是Wakonig也在研讨这种办法是否能够用较少的共同性来完成。假如这项技能能够用于在一般的试验室x射线源查看样品,那么将拓荒许多其他的运用领域。

博科园-科学科普|研讨/来自: Paul Scherrer研讨所

Barbara Vonarburg, Paul Scherrer Institute

参阅期刊文献:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aav0282

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