同步辐射纳米分辨X射线微分相衬显微镜方法研究

X-ray microscopy is based on unique intrinsic capabilities: short wavelengths to achieve high spatial resolution, a high penetration for imaging large/opaque objects, an effective image contrast mechanism for structural, chemical and electronic states imaging. X-ray imaging techniques experienced an impressive development in the last decade and significant applications have been identified and demonstrated..In spite of these advancements, quantitative phase contrast information retrieval is not yet established. It represents the next most important frontier of x-ray microscopy and the main goal of the proposed project. To obtain more accurate phase information, we propose a new differential phase contrast imaging technique based on refraction and scattering mechanisms which is capable of achieving an improved image contrast and a quantitative 3D phase contrast imaging. The proposed experimental program is based on the operational nanometer-resolution x-ray microscopes at the synchrotron radiation facilities..This research will make available to the scientific community a pioneering tool capable of making significant advancements in many areas such as life science, energy, environmental science, materials science, micro&nano-fabrication technology, etc.

X射线显微镜具有波长短、分辨率高、穿透力强、能够对样品进行无损、原位、三维形貌成像，且成像机制多样等优点，在过去十几年取得了前所未有的快速发展。然而现有X射线（全场）显微镜仍然存在着相位衬度定量化等难题，阻碍了X射线显微术在生物学和材料学方面的进一步发展。本项目拟基于国内同步辐射纳米分辨X射线显微成像平台，开展基于折射和散射机制的X射线显微镜成像研究，解决长期困扰国际X射线显微镜三维成像学术领域的相位衬度定量化难题，建立定量获取样品相位的X射线微分相衬显微镜成像理论和方法，为我国生命、能源、环境、材料、信息等科学研究提供国际上最先进的结构表征工具。

X射线显微镜具有波长短、分辨率高、穿透力强、能够对样品进行无损、原位、三维形貌成像，且成像机制多样等优点。然而传统的X射线（全场）显微镜存在着光晕和相位衬度定量化等难题，限制了X射线显微术在生物学和材料学方面的应用。本项目把X射线微分相衬成像机制引入X射线显微镜，不仅解决了传统X射线显微镜的光晕和相位衬度定量化难题，而且发展建立起X射线微分相位衬度显微镜成像的新理论和新方法。经过五年不懈的坚持，本项目提出了含有吸收信号、折射角信号和散射角信号的物亮度函数和像亮度函数，提出了对角度信号产生光强响应的角度信号响应函数，根据像亮度函数和角度信号响应函数的卷积，建立了的角度信号成像理论和方法；搞清楚了传统微分相位衬度CT重建像中出现条状伪影的原因，提出了消除条状伪影的方法；提出了小角偏转条件，解决了Radon变换直线传播要求和X射线曲线传播现实之间的矛盾，为X射线微分相衬显微镜多种成像机制建立CT成像理论奠定了基础；在小角偏转条件下，发现了折射率实部减小量梯度矢量的Radon变换和重建其的逆Radon变换。这些研究成果都是X射线微分相位衬度显微镜三维成像理论和方法的组成部分，为下一步研制X射线微分相位衬度显微镜验证装置和原型机奠定了基础。.在细胞成像探索方面，本项目根据X射线吸收、荧光对元素的特异性，利用具有特征X射线吸收、荧光的纳米探针，来标记细胞内的标志分子，在北京同步辐射X射线显微镜上，开展了单细胞水平蛋白结构和功能的研究。本项目以整合素、表面生长因子受体等肿瘤重要标志物为研究模型，设计和制备了基于荧光/质谱信号一体化的纳米探针，实现对细胞标志物的特异性标记及成像，为提高单细胞蛋白质的X射线成像建立了可行的策略和探针标记技术。