PSI研究人员用x射线显微镜观察电脑芯片、催化剂、小块骨头或脑组织。由于x射线的短波长，在纳米范围(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。与普通显微镜一样，透镜用来收集样品散射的光，并在相机上形成放大的图像。然而，微小的结构会以非常大的角度散射光线。为了获得高分辨率的图像，需要一个相应的大镜头。PSI物理学家克劳斯·瓦科尼格说：制造如此大的透镜仍然具有极大的挑战性。然而对于x射线来说，由于与透镜材料的微弱相互作用，这就更加复杂了。
博科园-科学科普：因此，通常只能捕捉很小的角度，或者镜头效率很低。Wakonig和同事开发新方法绕过了这个问题，最后的图像就像我们用一个大镜头测量过的。PSI小组使用了一种小而有效的透镜，就像x射线显微镜中常用的那样，将其移至理想透镜能够覆盖的区域。这实际上创造了一个大的镜头。实际上用镜头走到不同的地方，在每个地方拍照，然后用计算机算法把所有的图像组合起来，生成一张高分辨率的图像。
从可见光到x射线
通常情况下，研究人员避免在仪器中移动镜头远离光轴，因为这可能导致图像失真。然而，由于这种情况下的科学家知道透镜的准确位置，并照亮附近的许多点，他们可以重建光线是如何散射的，以及样本的样子。这种方法被称为傅立叶叶脉造影，自2013年以来一直用于可见光区的显微观察。在PSI的实验中，研究人员首次将这一原理应用于x射线显微镜。研究人员在《科学进展》上写道：据我们所知，迄今为止还没有成功应用x射线傅立叶叶脉造影的报道。
Klaus Wakonig和Ana Diaz(从左到右)，以及PSI的其他研究人员，第一次将傅里叶叶尘谱仪的原理应用到x射线显微镜上。图片：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer
新方法不仅提供了更高的分辨率，而且提供了两种互补的成像信息。首先，就像普通相机一样，需要测量被拍摄物体吸收了多少光。此外，光的折射方式也被记录下来。专家们谈到吸收对比和相位对比。PSI波束线科学家Ana Diaz说：我们的方法提供了相位对比度，这在其他情况下很难获得，实际上是免费的。这使得图像的质量更好，相位差甚至可以让我们对被检测样品的材料特性得出结论，这在常规成像技术中通常是不可能的。
对生物样本来说尤其有趣
在实验中，研究人员检查的样本是一个检测器芯片。将来这种新方法可以用来揭示，例如当气体被加入催化剂时，催化剂是如何工作的，或者金属在压力下是何时以及如何断裂的。同时，该方法也可以更好地研究组织和细胞聚集物。研究人员希望这将为阿尔茨海默病或肝炎等疾病的发展提供新见解。Diaz解释了这种新方法的优点：生物样品通常没有良好的吸收对比度。在这里，相位对比度可以显著提高图像质量。此外，研究人员怀疑傅里叶叶脉描记术比以前的方法更温和。与普通x射线显微镜相比，这种新方法需要更低剂量的辐射，因为它更有效，这对生物样本的研究可能尤其有趣。
研究人员在瑞士光源SLS的cSAXS光束线上建立了他们的演示设备。迪亚兹说：目前，这些实验仍然非常复杂，需要大量的时间。要使新方法奏效，所使用的x射线必须是一致：正如研究人员所说，它们必须是一致的，这类实验目前需要SLS等大型研究设施。但是Wakonig也在研究这种方法是否可以用较少的一致性来实现。如果这项技术可以用于在通常的实验室x射线源检查样品，那么将开辟许多其他的应用领域。
博科园-科学科普｜研究/来自:Paul Scherrer研究所
Barbara Vonarburg,Paul Scherrer Institute
参考期刊文献:《Science Advances》
DOI: 10.1126/sciadv.aav0282
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