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1、X射线探测、成像及应用专题3高分辨率X射线显微成像及其进展•陈洁柳龙华刘刚田扬超(中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥230029)摘要介绍了高分辨率X射线显微成像产生背景和发展过程,着重分析了基于光学元件波带片的放大成像的基本原理,并简述了高分辨率三维成像的有关理论。同时给出国内外高分辨率X射线显微成像研究的最新进展,展望了高分辨率X射线显微成像的应用前景。关键词X射线显微成像,高分辨率,波带片HighresolutionX2raymicroscopyanditsnewdevelopments•CHENJieLIULong2HuaLIUGangTIANYang
2、2Chao(NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230029,China)AbstractThebackgroundandprincipleofzoneplatebasedhighresolutionX2raymicroscopyisreviewed,aswellasX2ray3Dimaging.Thelatestdevelopmentsandfutureprospectsinthisfieldarealsodiscussed.Key
3、wordsX2raymicroscopy,highresolution,zoneplate品进行无损纳米分辨成像的潜力,而且成像机制多1引言样(如吸收、荧光、化学态、自旋、相位等),衬度来源丰富,同时曝光时间短,效率非常高,因而可观察分1665年,英国人RobertHook设计和制造了一析多种微观物理、化学变化和微纳米结构,在生物医台光学显微镜,并第一次观察到细胞这一生物单元,学、材料科学和工业上有着广泛的应用。多年来,人从此显微镜登上了研究物质细微结构的历史舞台。们已经发展了多种X射线成像技术。例如,X射线显微镜是人类认识微观世界的重要桥梁,随着科学接触式成像技
4、术、X射线扫描成像技术、X射线光栅技术的突飞猛进,人们发明了各种显微镜。常规的成像技术、X射线类同轴成像技术(X射线全息光学显微镜受波长的限制(400—700nm),分辨率术)、X射线衍射增强技术、X射线干涉法成像技术[1—8]很难突破200nm的衍射极限。电子的德布罗意波和X射线CT技术等。然而这些成像技术的空波长由加速电压决定,可远小于1nm。近代高分辨间分辨率很低,一般取决于探测器或记录介质的分率透射电镜的点分辨率达0.3nm,线分辨率为辨率,只达到微米或亚微米量级。0.144nm。但电子显微镜需要高真空环境,对生物空间分辨率是确定图像清晰度的最重要指标。样
5、品的观测还需要一系列诸如切片、脱水等处理,这自发现X射线100多年来,提高X射线显微镜的分无疑破坏了样品的内部结构信息。而且电子在样品辨率一直是X射线显微学研究者追求的一个重要中的平均自由程很短,所以电子显微镜与近年来发目标。但是由于缺乏性能优良的X射线光源和高展的力场显微镜和近场光学显微镜一样,虽然分辨分辨率成像光学元件,X射线高分辨率成像的潜力率很高,但只适用于研究样品的表面结构。1895年,德国科学家伦琴在试验阴极射线管时3国家自然科学基金(批准号:10675113)资助项目发现了X射线,从此吸引了很多人开始研究X射线2006-12-04收到初稿,2007-
6、05-09收到修改稿成像。X射线波长短、穿透深度大,不仅具有对厚样•通讯联系人.Email:ychtian@ustc.edu.cn·588·http:PPwww.wuli.ac.cn物理X射线探测、成像及应用专题长期得不到发挥。一方面,X射线的衍射效率比较低,亮度较低的X射线管不足以产生足够强的携带高分辨信息的大角衍射信号;另一方面,缺乏适当的光学元件,不能够在实验上实现精确的X射线聚焦。近20年来,随着高亮度的同步辐射光源、自由电子激光、等离子体X射线源的发展,加上纳米加工技术的飞速进步;人们能够制作出高效率、高分辨率的物镜波带片;再加上高速度、高灵敏的X射线探
7、测器的研制成功,高分辨率的X射线显微成像技术又重新活跃起来。目前,基于波带片的高分辨率X射线显微术以其独特的魅力吸引了世界各国众多图1菲涅耳波带片(r1为第一环带半径,rn为第n环带半研究者的关注,它能提供其他无损检测方法所不能径,Δr为最外环宽度,λ为入射光波长,f为波带片焦距,D为提供的样品内部结构的细节信息。世界上许多同步波带片直径)辐射装置上都建造了高分辨率X射线成像装[9—12]置,主要用于细胞分子生物学和材料科学方面(波带片到成像平面的距离),f为波带片焦距,M为的研究。放大倍率。下面我们对基于波带片的高分辨率X射线显透镜空间分辨率的一种度量就是两个彼
8、此不相微术
