Virtuel linse forbedrer røntgenmikroskopi

Med røntgenmikroskoper, forskere ved PSI kigger ind i computerchips, katalysatorer, små stykker knogle, eller hjernevæv. Røntgenstrålernes korte bølgelængde gør detaljer synlige, der er en million gange mindre end et sandkorn – strukturer i nanometerområdet (milliontedele af en millimeter). Som i et almindeligt mikroskop, en linse bruges til at samle lyset spredt af prøven og danner et forstørret billede på kameraet. Små strukturer, imidlertid, sprede lys i meget store vinkler. For at opnå høj opløsning i billedet, en tilsvarende stor linse er nødvendig. "Det er fortsat ekstremt udfordrende at producere så store linser, " siger PSI-fysiker Klaus Wakonig:"Når du arbejder med synligt lys, der er linser, der kan fange meget store spredningsvinkler. Med røntgenstråler, imidlertid, dette er mere kompliceret på grund af den svage interaktion med linsens materiale. Som en konsekvens, normalt kan kun meget små vinkler fanges, eller linserne er ret ineffektive."

Den nye metode udviklet af Wakonig og hans kolleger omgår dette problem. "Det endelige billede er, som om vi havde målt med en stor linse, " forklarer forskeren. PSI-teamet bruger en lille, men effektiv linse, som det er almindeligt anvendt i røntgenmikroskopi, og flytter den over et område, som en ideel linse ville dække. Dette skaber praktisk talt en stor linse. "I praksis, vi går til forskellige steder med linsen og tager et billede hvert sted, Wakonig forklarer. "Så bruger vi computeralgoritmer til at kombinere alle billederne for at generere ét billede i høj opløsning."

Fra synligt lys til røntgenstråler

Normalt, forskere undgår at flytte linser i instrumenter væk fra den optiske akse, da dette kan forårsage billedforvrængning. Imidlertid, da forskerne i dette tilfælde kender den nøjagtige position af linsen og belyser mange nærliggende punkter, de kan rekonstruere, hvordan lyset blev spredt, og hvordan prøven så ud. Metoden, kendt som Fourier ptychography, har været brugt til mikroskopi i det synlige område siden 2013. I deres forsøg på PSI, forskerne var i stand til at anvende dette princip på røntgenmikroskopi for første gang nogensinde. "Så vidt vi ved, er der hidtil ikke rapporteret nogen succesfuld implementering af røntgen-fourierptykografi, " skriver forskerne i Videnskabens fremskridt .

Den nye metode giver ikke kun højere opløsning, men også to komplementære former for billedinformation. For det første, der er målingen af, hvor meget lys der absorberes af objektet, der skal afbildes, ligesom med ethvert normalt kamera. Men derudover måden, hvorpå lyset brydes, registreres også. Eksperter taler om absorptionskontrast og fasekontrast. "Vores metode giver fasekontrasten, som ellers er svær at få, praktisk talt gratis, " siger Ana Diaz, beamline videnskabsmand ved PSI:"Dette gør kvaliteten af ​​billederne meget bedre." Fasekontrasten gør det endda muligt at drage konklusioner om materialeegenskaberne for den prøve, der undersøges, hvilket normalt ikke er muligt med normale billedbehandlingsteknikker.

Særligt interessant for biologiske prøver

I deres eksperimenter, prøven, som forskerne undersøgte, var en detektorchip. I fremtiden, den nye metode kunne bruges til at afsløre, for eksempel, hvordan en katalysator virker, når en gas tilsættes, eller hvornår og hvordan metal knækker under tryk.

Men også væv og celleaggregater kunne undersøges bedre med denne metode. Forskerne håber, at dette vil give ny indsigt i udviklingen af ​​sygdomme som Alzheimers eller hepatitis. Diaz forklarer fordelene ved den nye metode:"Biologiske prøver har normalt ikke god absorptionskontrast. Her giver fasekontrasten mulighed for en væsentligt forbedret billedkvalitet." Ud over, forskerne formoder, at Fourier-ptychografi er mere skånsom end tidligere metoder. "En sammenligning med normal røntgenmikroskopi indikerer, at den nye metode kræver en lavere strålingsdosis, fordi det er mere effektivt", siger Wakonig. "Dette kunne være særligt interessant for undersøgelser af biologiske prøver."

Forskerne satte deres demonstrationsudstyr op ved cSAXS beamline af Swiss Light Source SLS. "På nuværende tidspunkt eksperimenterne er stadig ret komplekse og kræver meget tid, " siger Diaz. For at den nye metode skal virke, de anvendte røntgenstråler skal være i en slags forening:Som forskerne udtrykker det, de skal være sammenhængende. Sådanne eksperimenter kræver i øjeblikket store forskningsfaciliteter såsom SLS. Men Wakonig undersøger også, om metoden kunne realiseres med mindre sammenhæng. Hvis teknikken kunne bruges til at undersøge prøver ved sædvanlige laboratorierøntgenkilder, mange yderligere anvendelsesområder ville åbne op.