基于同步辐射红外光源的三维红外谱学显微CT技术及其应用

Infrared beamline of SSRF provides IR light that is much higher brighter than standard laboratory IR sources, allowing the spectroscopic study of molecules with much higher precision and sensitivity. The improvement in spatial resolution and in spectral quality to the diffraction limit has led to a plethora of applications that is just being realized. Compared with 2D infrared spectromicroscopy, 3D Synchrotron infrared spectromicroroscopy will provide more details of the sample, for instance, the 3D spatial distribution of the different components of the sample. In this project, a novel non-destructive 3D infrared spectromicroscopy using Synchrotron Radiation source will be developed that provides molecular-level chemical/physical information of unprecedented detail on biological and other specimens with no need to stain or alter the specimen. In order to reduce the required projection number of the specimens sharply, Compressed Sensing theory will be improved to put into the 3D image reconstrusction process. This system will become a powful experimental platform for infrared users to obtain more details on biological and other specimens.

同步辐射红外光源具有光源点尺寸小，高准直性，高亮度的特点，把它作为红外显微镜的光源可以轻松地聚焦到衍射极限，在高信噪比的基础上实现微米的空间分辨，极大的提高实验数据采集的效率和质量。相比于二维红外谱学显微技术，三维红外谱学CT技术可以得到更多的样品内部信息，如样品组分的三维空间分布，有助于更深入的了解其微观物理、化学等机理，并且无需对样品进行染色或做标签。本项目拟发展基于同步辐射光源的三维红外谱学显微CT技术，空间分辨率达到衍射极限，提供样品红外光谱信息的三维空间分布，获得分子水平的生物化学、物理等信息。为提高实验效率，将信号处理中的压缩感知技术应用到红外谱学显微CT技术中，以减小重构所需的投影数。本项目一旦建成，将为国内外红外用户提供一个高性能的基于上海光源同步辐射红外光源的实验平台。

相比于二维红外谱学显微技术，三维红外谱学CT技术可以得到更多的样品内部信息，如样品组分的三维空间分布，有助于更深入的了解其微观物理、化学等机理，并且无需对样品进行染色或做标签。搭建完成了一套基于同步辐射红外光源的3D谱学显微实验平台。自行研制了一套高精度样品旋转装置，比较测试了多种旋转台，最终选用的旋转台具有重量轻，精度高的特点，满足实验要求。在图像重构方面，比较了常规的滤波反投影算法，CS算法和代数迭代算法ART等多种算法用于红外3D谱学显微重构的效果，最终我们选用了ART算法并考虑了扇形光束的影响。利用该实验装置，对小鼠卵巢细胞、斑鸠羽小枝等样品进行了同步辐射红外3D谱学成像的实验，并进行了图像重构，获得了相关组分的3D立体分布。目前该方法已对部分用户开放。此外还研究了一种新的3D成像方法-共聚焦红外3D成像技术及图像重构。该方法利用红外显微镜本身具有的共聚焦特性，对样品纵向扫描即可获得样品的3D信息。我们提出了新的算法对图像进行重构，可以有效改善方法本身带来的图像畸变等问题。