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新型透镜使X射线显微成像技术获得前所未有的分辨率-宁波德迅检测设备

发表时间:2020-08-02 15:19

来自德国电子加速器中心DESY的科学家们已经开发出了一种新型镜头,使得X射线显微镜能够在纳米尺寸下达到前所未有的分辨率。


来自自由电子激光科学中心(CFEL)的科学家Sasa Bajt领导的该研究小组利用新材料完善了专用X射线光学器件的设计,实现了直径小于10纳米的焦斑尺寸。纳米是百万分之一毫米,比大多数病毒颗粒还要小。


技术难点


现代粒子加速器能够提供超高亮度和高质量的X射线束。X射线较短的波长和较好的穿透性能是对一些复杂材料进行显微镜研究的理想选择。然而,充分利用这些特性需要在产生X射线状态下高效且几乎完美的光学器件。尽管许多研究人员已经在全球范围内进行了广泛的努力,但结果表明这项工作比预期的更加困难,而且能够解决成像小于10纳米的X射线显微镜仍然是一个不小的挑战。


由于X射线的特性,它不像可见光那样容易聚焦。而解决聚焦问题的其中一种方法就是使用一种被称为多膜层劳厄透镜(MLL)的专用X射线光学器件——这些镜片由两种不同材料(具有纳米厚度)的交替层组成,它们主要是由一个称为溅射沉积的工艺制备而成的。


与传统的光学元件不同,多膜层劳厄透镜不会折射光线,而是通过衍射入射的X射线来将光束聚焦在一个小的斑点上。为了达到这个目的,材料的层厚度必须被精确地控制,镜片的厚度和方向都必须逐渐改变。焦点尺寸与多膜层劳厄透镜结构中的最小层厚度成比例。



Bajt给出的解决方案


为了达到所要求的精度,Bajt领导的研究团队在对材料特性(这些特性通常随结构层的厚度而发生变化)进行了详细的了解过后,结合了一种新颖的制造工艺制备了一种新的镜头。这种制备的新镜头包括了超过10000层由新材料组合(碳化钨和碳化硅材料组成)形成的交替层。Bajt强调:“选择合适的材料组合是成功的关键。当然,我们不排除其他材料组合也可行,但它绝对是我们现在所知道的里面最好的”。


为了将X射线束在垂直和水平方向上聚焦,必须使其穿过两个垂直定向的透镜。通过使用这种设置,Bajt团队在美国布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源NSLS II的X射线纳米探针实验站上测量了8.4纳米x6.8纳米的光点尺寸。结果表明新镜头的分辨率比一般的光学镜头要高出5倍左右


Bajt说道:“我们利用高效率透镜得到了世界上最小的X射线焦点。由于具有穿透性,X射线通常会直接通过透镜材料。这样的光线显然对聚焦没有太大贡献,因此一个长期的目标就是研究出能够增强与X射线相互作用的透镜结构,将更多部分的射线转换成焦点。我们研发的这款新镜头的效率超过了80%。这种高效率是由组成透镜的分层结构所赋予的,并且,这款透镜可以像人造晶体一样以受控的方式对X射线进行衍射。


正如新型透镜的测试所证明的——超高的精度使得投影成像能够在更大范围内放大到更大的倍数。在DESY的X射线源PETRA III的光束线P11上,科学家们得到了一种等辐骨虫纲的高分辨率全息图。这种等辐骨虫纲是一种海洋浮游生物的单细胞放射虫,对其唯一已知的生物体是由硫酸锶(SrSO4)或天青石形成的骨骼。


Bajt的研究团队还使用该新镜头对海洋浮游硅藻的生物矿化壳结构进行了成像。这些单细胞生物具有错综复杂的外壳,这些外壳非常复杂且稳定,但也是一种轻量化的结构。在以前的电子显微镜的二维分析中可以观察到,它们是由纳米结构的二氧化硅所组成的。具有这种结构的原因很有可能是因为二氧化硅具有非常高的强度——比建筑钢铁材料高十倍——尽管它是在低温和低压条件下得到的。


镜头的应用


“我们希望这种新型X射线光学器件能够很快地将这些纳米结构图像转换为三维图像,这将使我们能够更好地模拟和理解这些外壳的高机械性能,并帮助我们开发出新型,环保和高性能的材料”,来自亥姆霍兹中心极地和海洋研究中心(AWI)阿尔弗雷德·魏格纳研究所的Christian Hamm(他提供了测试样本,并且是这项研究的合作者之一)说道。


“这种新镜头可用于各种应用,包括纳米分辨率成像和光谱学研究等”,Bajt说道:“这些多膜层劳厄透镜为X射线科学开创了新的令人憧憬的机遇,它们可以被设计用于搭配不同的能量,并且可以用于相干光源,如X射线自由电子激光器等。如果没有一支在X射线光学理论、纳米加工、材料科学、数据处理和仪器等多方面都拥有专业知识的优秀团队,这个伟大的成就是不可能实现的。我们现在知道了如何优化镜头设计,我们的工作为实现最终在X射线显微镜下达到1纳米分辨率的目标铺平了道路”。


相关参与研究的机构


来自德国电子加速器中心、汉堡大学、美国国家科学基金会BioXFEL科学技术中心、美国亚利桑那州立大学、波兰比亚韦斯托克大学、美国布鲁克海文国家实验室和德国阿尔弗雷德韦格纳研究所的科学家均参与这项研究。自由电子激光中心CFEL是由德国汉堡大学和德国马普学会合作创办的。德国电子加速器中心DESY是世界上领先的粒子加速器研究中心之一。 研究人员利用DESY的大规模仪器设备研究探索了各种各样的微观世界,从微小基本粒子间的相互作用到创新纳米材料的微观行为,生物分子之间发生的至关重要的相互影响以及宇宙的巨大奥秘等。DESY在德国汉堡和措伊滕开发并建造的加速器和探测器是世界上独一无二的研究工具。DESY研究中心是亥姆霍兹联合会的成员之一,主要从德国联邦教育研究部(BMBF)(90%)和德国联邦州汉堡和勃兰登堡州(10%)获得资金支持。


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