新型透射式X射线显微镜：3D成像速度提升10倍

【摘要】美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的科学家们开发出一种透射式X射线显微镜，它为样本成像的速度比之前的方案要快10倍。

背景

显微镜，通常是由一个或几个透镜组合而成的一种光学仪器。它主要用于放大肉眼无法观察到的微小物体，使之对于肉眼可见。这一发明也标志着人类进入了微观的原子时代。

（图片来源：维基百科）

相比于传统的光学显微镜，透射式X射线显微镜（TXM）能以更高的分辨率观察样本内部，揭示出非同寻常的细节。

油菜植物的X射线显微图像

（图片来源：维基百科）

各个科学领域的研究人员都会采用透射式X射线显微镜，观察样本（从生物细胞到能量存储材料）的结构和化学组成。

创新

近日，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的能源部科学用户设施办公室，即美国国家同步加速器光源 II（NSLS-II）的科学家们，开发出一种透射式X射线显微镜，它为样本成像的速度比之前的方案要快10倍。他们的研究论文发表在《应用物理快报（Applied Physics Letters）》期刊上。

NSLS-II 科学家 Scott Coburn （左）和 Wah-Keat Lee （右）在全场X射线成像（FXI） 光束线（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

技术

显微镜是在 NSLS-II 全场X射线成像（FXI） 光束线构造的。该实验机构的领导科学家 Wah-Keat Lee表示：“几乎所有的成像技术都希望能通过三维形式实时观察样本。这些实验的速度是相关的，因为我们想要观察快速发生的变化。许多结构和化学变化都发生在不同时间尺度上，所以越快速的仪器看到得越多。例如，我们能够追踪材料中产生腐蚀的情况如何，或者电池不同部分的表现如何。”

为了在 FXI 提供这些功能，团队需要采用在超快速纳米定位（一种移动样本同时又限制振动的技术）、感知（一种追踪样本运动的方法）以及控制方面取得的最新进展，打造了一个透射式X射线显微镜。这种新型显微镜在布鲁克海文国家实验室内部开发，是 NSLS-II 的工程师们、光束线员工和研发团队合作开发的成果。研究人员称，在 FXI 开发的超快功能，强烈地依赖于 NSLS-II 的先进设计。

研究团队（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

Lee 表示：“我们能够使 FXI 比世界上其他的仪器快10倍，是因为拥有位于 NSLS-II 的强大X射线光源。在 NSLS-II，我们有所谓的‘阻尼摆动器’设备，它能为实验设施实现非常小的电子束。对于我们来说，不幸的是，这些设备也产生了非常大量的X射线。这些强大的X射线的量直接与我们的实验速度相关。”

采用 FXI 的新功能，研究人员们对铜片上银枝晶的生长情况进行了成像。光束线一分钟就能捕捉 1060 幅样本二维图像，并重构它们以组成反应的三维快照。重复这一过程，研究人员们能够一分钟一分钟地构建出化学反应的三维动画。

（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

（图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室）

价值

   Lee 表示：“我们显著提升了X射线显微镜设备的速度。”在 FXI，Lee 及其同事们将采用透射式X射线显微镜进行样本三维成像所需的时间从10分钟减少至仅1分钟，同时可达到优越的三维分辨率，低于50纳米（一纳米等于十亿分之一米）。Lee 表示：“这项突破将使科学家们在 FXI 能比世界上其他相似的仪器，更快地看到样本图像。”

   除了减少了实验所需的时间，更快的透射式X射线显微镜还可以从样本中采集更多的数据。

   论文领导作者、NSLS-II 科学家 Mingyuan Ge 表示：“我们选择为这种反应进行成像，是因为它演示了 FXI 的强大之处。这种反应非常著名，但是它从来没有以如此短的采集时间、通过三维形式进行成像。此外，我们的空间分辨率是过去使用的光学显微镜的30倍到50倍。”

   完成了这项研究之后，FXI 开始为普通用户的操作提供服务，欢迎来自全世界的研究人员们使用光束线的先进功能。

参考资料

【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