Виртуальная линза для рентгеновской микроскопии

С помощью рентгеновского микроскопа исследователи из PSI (Paul Scherrer Institute) изучают компьютерные чипы, катализаторы, небольшие кусочки кости или ткани мозга. Коротковолновое рентгеновское излучение позволяет увидеть детали, которые в миллион раз меньше песчинки — структуры нанометровых размеров. В нем, как и в обычном микроскопе, используется линза: для сбора света, рассеянного образцом, формируя увеличенное изображение на камере. Однако крошечные структуры рассеивают свет под очень большими углами. Для получения высокого разрешения на изображении необходим, соответственно, большой объектив. «Такие большие линзы по-прежнему крайне сложно производить,» — говорит физик PSI Клаус Вакониг. – «Существуют линзы, которые при работе с видимым светом могут захватывать очень большие углы рассеяния. Но в случае рентгеновских лучей это сложнее из-за их слабого взаимодействия с материалом линзы. Как следствие, обычно захватываются только очень маленькие углы, а линзы довольно неэффективны «.

Новый метод, разработанный Ваконигом и его коллегами, позволяет избежать этой проблемы. «Конечное изображение получается таким, как если бы мы использовали большую линзу», объясняет исследователь. Но линза, которую использует команда PSI – сравнительно мала, но эффективна. Такие же используют в рентгеновской микроскопии повсеместно, но ученые перемещают ее по всей области, что покрывала бы идеальная линза. По сути, это создает замену большому объективу. «На практике это выглядит следующим образом: мы двигаемся с точки на точку, и в каждом месте делаем фото», — объясняет Вакониг. «Затем мы используем компьютерные алгоритмы для объединения всех изображений в одно — с высоким разрешением».

От видимого света до рентгеновских лучей

Обычно исследователи избегают удаления линз от оптической оси, так как это может привести к искажению изображения. Однако, в данном случае, поскольку ученые знают точное положение линзы и исследуют множество близлежащих точек, они могут восстановить картину рассеяния света и строения образца. Этот метод, известный как Фурье-птихография, использовался для оптической микроскопии с 2013 года. В своих экспериментах исследователи института смогли впервые применить этот принцип к рентгеновской микроскопии. «Насколько нам известно, до сих пор не сообщалось об успешной реализации рентгеновской Фурье-птихографии», — пишут исследователи в журнале Science Advances.

Новый метод дает 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 механизм преломления света, в частности речь идет об абсорбционном и фазовом контрасте. «Наш метод обеспечивает фазовый контраст, который в противном случае невозможно получить без особых усилий», — говорит Ана Диас, специалист-ренгенограф из PSI: «Это значительно улучшает качество изображений». Фазовый контраст позволяет сделать выводы о свойствах материала исследуемого образца, что невозможно при обычных методах визуализации.

Биологические образцы

В проведенных экспериментах образцом для исследований был детекторный чип. В будущем новый метод может быть использован, чтобы показать, например, как работает катализатор, когда и как металл разрушается под давлением.

Кроме того, этот метод поможет лучше изучить живые ткани и скопления клеток. Исследователи надеются, что он позволит лучше понять природу таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера или гепатит. Диаз объясняет преимущества нового метода: «У биологических образцов обычно нет  хорошего абсорбционного контраста. Фазовый же контраст позволит улучшить качество изображения». Кроме того, исследователи предполагают, что фурье-птихография мягче, чем предыдущие методы. «Сравнении с обычной рентгеновской микроскопией новый метод требует более низкой дозы радиации, потому что он более эффективен», — говорит Вакониг. «Это представляет интерес для исследований биологических образцов».

«Пока что процесс эксперимента крайне продолжителен трудоемок», — говорит Диас. Чтобы новый метод работал, используемые рентгеновские лучи должны быть когерентными, а подобные опыты требуют крупномасштабное лабораторное оборудование. Но ученые не оставляют попыток упростить метод и сделать его более доступным для обычных лабораторий.

Поделиться