基于單毛細(xì)管橢球鏡的微束X射線熒光成像

陶 芬， 豐丙剛， 鄧 彪， 2*, 孫天希， 杜國(guó)浩， 謝紅蘭， 肖體喬

1. 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所， 上海 201800 2. 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院， 張江實(shí)驗(yàn)室上海光源科學(xué)中心， 上海 201210 3. 北京師范大學(xué)， 北京 100875

引 言

微束X射線熒光成像是一種具有高空間分辨率、 高靈敏度、 可無(wú)損分析樣品內(nèi)部元素空間分布的研究方法， 分為熒光掃描成像(X-ray fluorescence mapping)與微束熒光CT(microbeam X-ray fluorescence computed tomography, μ-XFCT)， 微束X射線熒光成像廣泛應(yīng)用到材料、 生物、 醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域[1-2]， 它已經(jīng)作為研究樣品元素分布的重要手段之一。

上海光源BL13W線站已于2011年建立了X射線熒光成像系統(tǒng)并對(duì)用戶開(kāi)放[3-4]， 該系統(tǒng)基于狹縫限束方法獲得微束X射線。 由于沒(méi)有聚焦元件， 該熒光成像系統(tǒng)探測(cè)限較低， 其空間分辨為150 μm， 大量用戶提出了開(kāi)展微束聚焦熒光成像的需求。

首先介紹針對(duì)上海光源BL13W線站的熒光成像的橢球鏡參數(shù)設(shè)計(jì)； 再對(duì)研制的橢球鏡聚焦光進(jìn)行性能評(píng)估； 基于研制的橢球鏡搭建了微束X射線熒光成像系統(tǒng)， 并對(duì)中風(fēng)鼠腦進(jìn)行二維熒光掃描成像， 及鼠腦和標(biāo)準(zhǔn)砷溶液的熒光CT成像， 獲得了其中的微量元素的空間分布。

1 橢球聚焦鏡設(shè)計(jì)與檢測(cè)

橢球聚焦鏡是反射面為橢球的單次反射單毛細(xì)管， 為全反射元件， 反射面為橢球面。 光源點(diǎn)位于橢球的一個(gè)焦點(diǎn)上， 聚焦光斑位于另一個(gè)焦點(diǎn)上， X射線經(jīng)過(guò)毛細(xì)管單次反射后聚焦在樣品上， 可提高樣品點(diǎn)處光通量密度[5-7]， 其具有反射效率高、 工作距離長(zhǎng)、 接收角寬、 適用X射線能量范圍寬、 體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 物理參數(shù)設(shè)計(jì)

橢球鏡是內(nèi)表面為橢球面的單毛細(xì)管， 其光學(xué)示意圖如圖1所示。

針對(duì)上海光源成像線站(BL13W)的光斑參數(shù)[8]設(shè)計(jì)用于熒光成像的橢球物理參數(shù)。 圖1是橢球鏡的聚焦原理圖。 光源點(diǎn)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)F(當(dāng)橢球的長(zhǎng)半軸a?b時(shí)， 焦點(diǎn)靠近頂點(diǎn))處， 照射到橢球鏡內(nèi)表面發(fā)生全反射， 將光源成像在橢球鏡的另一個(gè)焦點(diǎn)F′(樣品)處， 從而達(dá)到聚焦的效果[9]。

圖1 橢球鏡的聚焦原理示意圖

上海光源X射線成像線站為插入件扭擺器光源， 光源點(diǎn)到樣品的距離為34 m。 設(shè)計(jì)出橢球鏡物理參數(shù)如表1。

表1 橢球鏡物理參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)的物理參數(shù)成功拉制出符合設(shè)計(jì)要求的橢球鏡， 研制的橢球鏡實(shí)物圖如圖2[10]。

圖2 橢球鏡的照片

1.2 橢球鏡檢測(cè)

X射線熒光成像中， 橢球鏡的聚焦光斑大小決定了其分辨率， 橢球鏡焦深決定了樣品的厚度， 焦距決定了樣品到橢球鏡的距離， 為此對(duì)于橢球的檢測(cè)包括近場(chǎng)的焦點(diǎn)光斑大小、 焦距、 焦深等參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)橢球鏡的同步輻射X射線檢測(cè)， 在上海光源成像線站搭建了橢球鏡的測(cè)試系統(tǒng)， 選擇能量12 keV下進(jìn)行檢測(cè)。 將橢球鏡放置在六維高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)， 通過(guò)調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)角以及俯仰角2個(gè)維度方向得到均勻的聚焦光斑， 橢球鏡前端安裝beamstop用于遮擋橢球鏡中間的直通光， 橢球鏡的后方放置高分辨探測(cè)器用于檢測(cè)其聚焦光斑， 探測(cè)器單像素為6.5 μm·pixel-1， 使用光學(xué)系統(tǒng)10倍放大后等效單像素尺寸為0.65 μm·pixel-1。

圖3 橢球鏡焦點(diǎn)光斑圖

(a)： The shape of focused spot； (b)： Three-dimensional light intensity profiles of focused spot

在距離橢球鏡出口15 mm處得到最小最亮的光斑(曝光時(shí)間50 ms)， 同時(shí)測(cè)得焦深為1.5 mm， 焦斑的半高全寬(full width at half maximum, FWHM)為14 μm， 光通量密度增益達(dá)255倍(相同條件下， 同一位置聚焦光斑灰度值與直通光下的灰度值)， 如圖3(a)和(b)所示。

橢球鏡性能測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 橢球鏡聚焦性能測(cè)量結(jié)果

2 基于橢球鏡的微束X射線熒光成像

在上海光源BL13W搭建的X射線熒光成像實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示。 通過(guò)橢球鏡將同步輻射光聚焦成微束， 照射到樣品處， 提高樣品處的光通量， 樣品放置在距離橢球鏡出光口15 mm處， 并在與光路成45°方向進(jìn)行掃描使樣品上點(diǎn)到探測(cè)器的距離相同， 再通過(guò)與光路成90°方向上放置熒光探測(cè)器(SDD， SⅡ, Vortex-90E)來(lái)收集其熒光光譜。 沿著光路方向的高分辨探測(cè)器(6.5 μm·pixel-1)用來(lái)檢測(cè)樣品的透射成像， 觀察樣品是否處于光路中。

圖4 微束X射線熒光成像實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.1 二維熒光mapping掃描成像

X射線能量為12 keV， 選用中風(fēng)鼠腦切片作為測(cè)試樣品， 由于其中的元素含量較低， 在無(wú)聚焦鏡情況下， 熒光掃描無(wú)法有效獲得元素?zé)晒夤庾V。 將橢球聚焦鏡加入光路中， 中風(fēng)鼠腦切片作為樣品固定在Capton膜上， 放置在距離橢球鏡出口15 mm的焦點(diǎn)處， 樣品掃描移動(dòng)方向與入射X射線成45°夾角， 掃描步進(jìn)為50 μm， 使用熒光探測(cè)器(SDD)采集熒光光譜， 單張采集時(shí)間為1 s。

得到結(jié)果如圖5所示。 實(shí)驗(yàn)得到中風(fēng)鼠腦中的四種元素的熒光光譜圖， 圖中分別表示鼠腦切片中銅、 鐵、 鈣與鋅的元素分布。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出中風(fēng)鼠腦中每種微量元素分布是不一樣的： Fe與Zn的分布較為均勻； Cu分布較為不均勻， 在圖片左半部分分布較為集中； Ca的分布不均勻， 其主要分布在圖片的下半部分。

圖5 中風(fēng)鼠腦切片中的微量元素分布圖

光路中添加了橢球聚焦鏡后， 不僅可以檢測(cè)到樣品中微量元素， 而且可以清晰地觀察到其分布情況。 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明了， 基于橢球聚焦鏡的同步輻射熒光掃描成像可以檢測(cè)出樣品中微量元素的熒光光譜圖， 實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、 高分辨率的成像。

2.2 熒光CT成像

采用濃度為0.5 mg·L-1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液與鼠腦塊分別作為實(shí)驗(yàn)樣品， 進(jìn)行基于橢球鏡的同步輻射熒光CT實(shí)驗(yàn)[11]。 實(shí)驗(yàn)X射線能量為20 keV， 將樣品放置在橢球鏡出口15 mm焦距處的樣品臺(tái)上。 砷標(biāo)準(zhǔn)溶液樣品的CT掃描步長(zhǎng)為20 μm， 鼠腦樣品的CT掃描步長(zhǎng)為30 μm， 使用熒光探測(cè)器獲取熒光光譜， 單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為0.8 s。 樣品每隔6°旋轉(zhuǎn)一次獲得一張單張熒光譜， 共旋轉(zhuǎn)60次， 總共采集60張投影圖片。 由于熒光采集所需時(shí)間長(zhǎng)， 實(shí)驗(yàn)為了節(jié)約時(shí)間， 只做了樣品的一個(gè)切片結(jié)果。 將得到的結(jié)果使用OSEM算法進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)[12]。 得到重構(gòu)的樣品熒光CT切片圖如圖6所示。 圖中(a)圖為0.5 mg·L-1砷溶液重構(gòu)出的熒光CT， 從圖中可以看出砷元素的分布狀況； 圖中(b)圖為鼠腦切片中銅元素的熒光CT切片圖， 由圖片可以看出鼠腦的銅元素的分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 基于橢球鏡的同步輻射熒光CT實(shí)現(xiàn)了對(duì)砷溶液、 鼠腦塊銅元素分布的重建。 在未使用聚焦鏡的實(shí)驗(yàn)中光斑通過(guò)卡狹縫只能達(dá)到150 μm×500 μm(寬×高)， 單張熒光譜獲取時(shí)間為3 s， 而使用了聚焦鏡之后， 光斑大小為14 μm(FWHM)， 其空間分辨率提高了， 同時(shí)單張熒光譜獲取時(shí)間也縮短到0.8 s。 對(duì)比可知橢球聚焦鏡的使用提高了其空間分辨率， 減少了曝光時(shí)間。

圖6 樣品的熒光CT切片圖

3 總結(jié)與展望

基于自主研制的橢球聚焦鏡， 搭建了同步輻射微束X射線熒光成像系統(tǒng)， 提高了樣品處光通量密度、 成像的空間分辨率、 靈敏度以及元素探測(cè)限。 通過(guò)二維熒光mapping掃描成像， 得到鼠腦切片中的微量元素的分布圖。 通過(guò)微束熒光CT成像， 基于OSEM算法與較少的投影圖， 重構(gòu)得到了標(biāo)準(zhǔn)砷溶液及鼠腦中砷與銅元素分布的切片圖。 接下來(lái)， 將通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件， 提高實(shí)驗(yàn)效率， 以期得到完整的三維元素分布圖像。

同時(shí)單毛細(xì)管橢球聚焦鏡還可以應(yīng)用到透射X射線顯微鏡中。 設(shè)計(jì)專門的橢球鏡， 利用其聚焦環(huán)形與波帶片匹配， 可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的高空間分辨成像。