Виртуальный объектив улучшает рентгеновскую микроскопию
С помощью рентгеновских микроскопов исследователи из PSI изучают компьютерные чипы, катализаторы, небольшие кусочки кости или ткани мозга. Короткая длина волны рентгеновских лучей делает видимыми детали, которые в миллион раз меньше песчинки — структуры в нанометровом диапазоне (миллионные доли миллиметра). Как и в обычном микроскопе, линза используется для сбора света, рассеянного образцом, и формирует увеличенное изображение на камере. Крошечные структуры, однако, рассеивают свет под очень большими углами. Для получения высокого разрешения на изображении необходим соответственно большой объектив. «По-прежнему крайне сложно производить такие большие линзы, — говорит физик PSI Клаус Вакониг. — При работе с видимым светом существуют линзы, которые могут захватывать очень большие углы рассеяния. Однако с помощью рентгеновских лучей это сложнее из-за слабого взаимодействия с материалом линзы. Как следствие, обычно могут быть зафиксированы только очень маленькие углы, или линзы довольно неэффективны «.
Новый метод, разработанный Ваконигом и его коллегами, обходит эту проблему. «Окончательное изображение, как если бы мы измеряли с большой линзой», объясняет исследователь. Команда PSI использует небольшую, но эффективную линзу, которую обычно применяют в рентгеновской микроскопии, и смещает ее в область, которую будет покрывать идеальная линза. Это фактически создает большой объектив. «На практике мы идем в разные точки с объективом и фотографируем в каждом месте», — объясняет Вакониг. «Затем мы используем компьютерные алгоритмы для объединения всех изображений в одно изображение с высоким разрешением».
От видимого света до рентгеновских лучей
Обычно исследователи избегают перемещения линз в инструментах подальше от оптической оси, так как это может привести к искажению изображения. Однако, поскольку ученые в этом случае знают точное положение линзы и освещают множество близлежащих точек, они могут восстановить, как свет был рассеян и как выглядел образец. Этот метод, известный как фурье-психография, использовался для микроскопии в видимой области с 2013 года. В своих экспериментах на PSI исследователи смогли впервые применить этот принцип к рентгеновской микроскопии. «Насколько нам известно, до сих пор не сообщалось об успешной реализации рентгеновской фурье-психографии», — пишут исследователи в журнале Science Advances .
Новый метод обеспечивает не только более высокое разрешение, но и два дополнительных вида информации об изображении. Во-первых, измеряется, сколько света поглощается изображаемым объектом, как и в любой обычной камере. Кроме того, дополнительно отражается и способ преломления света . Эксперты говорят о абсорбционном контрасте и фазовом контрасте. «Наш метод обеспечивает фазовый контраст, который в противном случае трудно получить практически бесплатно», — говорит Ана Диас, специалист по лучам в PSI: «Это значительно улучшает качество изображений». Фазовый контраст даже позволяет сделать выводы о свойствах материала исследуемого образца, что обычно невозможно при обычных методах визуализации.
Особенно интересно для биологических образцов
В своих экспериментах исследованный образец представлял собой детекторный чип. В будущем новый метод может быть использован, чтобы показать, например, как работает катализатор при добавлении газа или когда и как металл разрушается под давлением.
Но также ткани и агрегаты клеток могут быть исследованы лучше с этим методом. Исследователи надеются, что это даст новое понимание развития таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера или гепатит. Диаз объясняет преимущества нового метода: «Биологические образцы обычно не имеют хорошего контраста поглощения. Здесь фазовый контраст позволяет значительно улучшить качество изображения». Кроме того, исследователи подозревают, что фурье-психография мягче, чем предыдущие методы. «Сравнение с обычной рентгеновской микроскопией показывает, что новый метод требует более низкой дозы радиации, потому что он более эффективен», — говорит Вакониг. «Это может быть особенно интересно для исследований биологических образцов».
Исследователи установили свое демонстрационное оборудование на линии луча cSAXS швейцарского источника света SLS. «В настоящее время эксперименты все еще довольно сложны и требуют много времени», — говорит Диас. Чтобы новый метод работал, используемые рентгеновские лучи должны быть в некотором роде: как утверждают исследователи, они должны быть согласованными. Такие эксперименты в настоящее время требуют крупномасштабного исследовательского оборудования, такого как SLS. Но Вакониг также исследует, может ли метод быть реализован с меньшей последовательностью. Если бы метод мог использоваться для исследования образцов в обычных лабораторных рентгеновских источниках, открылось бы много дополнительных областей применения.
