新型X射線顯微鏡：能進行三維成像，速度比之前快十倍！

導讀

近日，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的科學家們開發出一種透射式X射線顯微鏡，它為樣本成像的速度比之前的方案要快10倍。

背景

顯微鏡，通常是由一個或幾個透鏡組合而成的一種光學儀器。它主要用於放大肉眼無法觀察到的微小物體，使之對於肉眼可見。這一發明也標誌著人類進入了微觀的原子時代。

（圖片來源：維基百科）

相比於傳統的光學顯微鏡，透射式X射線顯微鏡（TXM）能以更高的解析度觀察樣本內部，揭示出非同尋常的細節。

油菜植物的X射線顯微圖像（圖片來源：維基百科）

各個科學領域的研究人員都會採用透射式X射線顯微鏡，觀察樣本（從生物細胞到能量存儲材料）的結構和化學組成。

創新

近日，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的能源部科學用戶設施辦公室，即美國國家同步加速器光源 II（NSLS-II）的科學家們，開發出一種透射式X射線顯微鏡，它為樣本成像的速度比之前的方案要快10倍。他們的研究論文發表在《應用物理快報（Applied Physics Letters）》期刊上。

NSLS-II 科學家 Scott Coburn （左）和 Wah-Keat Lee （右）在全場X射線成像（FXI） 光束線

（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

技術

顯微鏡是在 NSLS-II 全場X射線成像（FXI） 光束線構造的。該實驗機構的領導科學家 Wah-Keat Lee表示：「幾乎所有的成像技術都希望能通過三維形式實時觀察樣本。這些實驗的速度是相關的，因為我們想要觀察快速發生的變化。許多結構和化學變化都發生在不同時間尺度上，所以越快速的儀器看到得越多。例如，我們能夠追蹤材料中產生腐蝕的情況如何，或者電池不同部分的表現如何。」

為了在 FXI 提供這些功能，團隊需要採用在超快速納米定位（一種移動樣本同時又限制振動的技術）、感知（一種追蹤樣本運動的方法）以及控制方面取得的最新進展，打造了一個透射式X射線顯微鏡。這種新型顯微鏡在布魯克海文國家實驗室內部開發，是 NSLS-II 的工程師們、光束線員工和研發團隊合作開發的成果。研究人員稱，在 FXI 開發的超快功能，強烈地依賴於 NSLS-II 的先進設計。

研究團隊（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

Lee 表示：「我們能夠使 FXI 比世界上其他的儀器快10倍，是因為擁有位於 NSLS-II 的強大X射線光源。在 NSLS-II，我們有所謂的『阻尼擺動器』設備，它能為實驗設施實現非常小的電子束。對於我們來說，不幸的是，這些設備也產生了非常大量的X射線。這些強大的X射線的量直接與我們的實驗速度相關。」

採用 FXI 的新功能，研究人員們對銅片上銀枝晶的生長情況進行了成像。光束線一分鐘就能捕捉 1060 幅樣本二維圖像，並重構它們以組成反應的三維快照。重複這一過程，研究人員們能夠一分鐘一分鐘地構建出化學反應的三維動畫。

（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

（圖片來源：美國能源部布魯克海文國家實驗室）

價值

Lee 表示：「我們顯著提升了X射線顯微鏡設備的速度。」在 FXI，Lee 及其同事們將採用透射式X射線顯微鏡進行樣本三維成像所需的時間從10分鐘減少至僅1分鐘，同時可達到優越的三維解析度，低於50納米（一納米等於十億分之一米）。Lee 表示：「這項突破將使科學家們在 FXI 能比世界上其他相似的儀器，更快地看到樣本圖像。」

除了減少了實驗所需的時間，更快的透射式X射線顯微鏡還可以從樣本中採集更多的數據。

論文領導作者、NSLS-II 科學家 Mingyuan Ge 表示：「我們選擇為這種反應進行成像，是因為它演示了 FXI 的強大之處。這種反應非常著名，但是它從來沒有以如此短的採集時間、通過三維形式進行成像。此外，我們的空間解析度是過去使用的光學顯微鏡的30倍到50倍。」

完成了這項研究之後，FXI 開始為普通用戶的操作提供服務，歡迎來自全世界的研究人員們使用光束線的先進功能。

關鍵字

顯微鏡、成像技術、X射線

參考資料

【1】https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=213151

【2】Mingyuan Ge, David Scott Coburn, Evgeny Nazaretski, Weihe Xu, Kazimierz Gofron, Huijuan Xu, Zhijian Yin, Wah-Keat Lee. One-minute nano-tomography using hard X-ray full-field transmission microscope. Applied Physics Letters, 2018; 113 (8): 083109 DOI: 10.1063/1.5048378

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