博科園：本文為光學和光子學類

PSI研究人員用x射線顯微鏡觀察電腦晶元、催化劑、小塊骨頭或腦組織。由於x射線的短波長，在納米範圍(百萬分之一毫米)內，比一粒沙粒結構小一百萬倍的細節都是可見的。與普通顯微鏡一樣，透鏡用來收集樣品散射的光，並在相機上形成放大的圖像。然而，微小的結構會以非常大的角度散射光線。為了獲得高解析度的圖像，需要一個相應的大鏡頭。PSI物理學家克勞斯·瓦科尼格說：製造如此大的透鏡仍然具有極大的挑戰性。然而對於x射線來說，由於與透鏡材料的微弱相互作用，這就更加複雜了。

博科園-科學科普：因此，通常只能捕捉很小的角度，或者鏡頭效率很低。Wakonig和同事開發新方法繞過了這個問題，最後的圖像就像我們用一個大鏡頭測量過的。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域。這實際上創造了一個大的鏡頭。實際上用鏡頭走到不同的地方，在每個地方拍照，然後用計算機演算法把所有的圖像組合起來，生成一張高解析度的圖像。

從可見光到x射線

通常情況下，研究人員避免在儀器中移動鏡頭遠離光軸，因為這可能導致圖像失真。然而，由於這種情況下的科學家知道透鏡的準確位置，並照亮附近的許多點，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年以來一直用於可見光區的顯微觀察。在PSI的實驗中，研究人員首次將這一原理應用於x射線顯微鏡。研究人員在《科學進展》上寫道：據我們所知，迄今為止還沒有成功應用x射線傅立葉葉脈造影的報道。

Klaus Wakonig和Ana Diaz(從左到右)，以及PSI的其他研究人員，第一次將傅里葉葉塵譜儀的原理應用到x射線顯微鏡上。圖片：Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

新方法不僅提供了更高的解析度，而且提供了兩種互補的成像信息。首先，就像普通相機一樣，需要測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。專家們談到吸收對比和相位對比。PSI波束線科學家Ana Diaz說：我們的方法提供了相位對比度，這在其他情況下很難獲得，實際上是免費的。這使得圖像的質量更好，相位差甚至可以讓我們對被檢測樣品的材料特性得出結論，這在常規成像技術中通常是不可能的。

對生物樣本來說尤其有趣

在實驗中，研究人員檢查的樣本是一個檢測器晶元。將來這種新方法可以用來揭示，例如當氣體被加入催化劑時，催化劑是如何工作的，或者金屬在壓力下是何時以及如何斷裂的。同時，該方法也可以更好地研究組織和細胞聚集物。研究人員希望這將為阿爾茨海默病或肝炎等疾病的發展提供新見解。Diaz解釋了這種新方法的優點：生物樣品通常沒有良好的吸收對比度。在這裡，相位對比度可以顯著提高圖像質量。此外，研究人員懷疑傅里葉葉脈描記術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，因為它更有效，這對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備。迪亞茲說：目前，這些實驗仍然非常複雜，需要大量的時間。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，它們必須是一致的，這類實驗目前需要SLS等大型研究設施。但是Wakonig也在研究這種方法是否可以用較少的一致性來實現。如果這項技術可以用於在通常的實驗室x射線源檢查樣品，那麼將開闢許多其他的應用領域。

博科園-科學科普｜研究/來自: Paul Scherrer研究所

Barbara Vonarburg, Paul Scherrer Institute

參考期刊文獻:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aav0282

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