Międzynarodowy zespół naukowców z Niemiec, Szwajcarii i Japonii opracował metodę obrazowania miękkim promieniowaniem rentgenowskim, która pozwala uzyskiwać obrazy nawet 27 razy szybciej niż konwencjonalne skanowanie punktowe. Technologia wykorzystuje pojedynczy element optyczny do obrazowania struktur i analizy właściwości chemicznych materiałów. W eksperymencie kompletny zestaw danych spektroskopowych zebrano w około 220 sekund. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Optics Express”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa nowa technologia obrazowania rentgenowskiego wykorzystująca refleksyjną płytkę strefową (RZP).
- W jaki sposób naukowcy przyspieszyli obrazowanie próbek nawet 27 razy w porównaniu z konwencjonalnym skanowaniem punktowym.
- Jak udało się uzyskać kompletny zestaw danych spektroskopowych w zaledwie 220 sekund.
- Jakie zastosowania może mieć nowa metoda w analizie materiałów oraz badaniach biomedycznych i farmaceutycznych.
Nowa metoda obrazowania rentgenowskiego przyspiesza analizę materiałów
Tradycyjne metody obrazowania rentgenowskiego często wymagają skanowania próbki punkt po punkcie. Proces ten może być czasochłonny, szczególnie gdy konieczne jest jednoczesne określenie struktury przestrzennej i właściwości chemicznych badanego materiału. Naukowcy zaproponowali rozwiązanie wykorzystujące refleksyjną płytkę strefową (Reflection Zone Plate, RZP). Ten precyzyjnie wykonany element optyczny umożliwia odbijanie, ogniskowanie i rozdzielanie promieniowania rentgenowskiego w jednym układzie.
Eksperymenty przeprowadzono na linii badawczej P04 synchrotronu PETRA III w ośrodku DESY w Hamburgu. Wyniki potwierdziły możliwość połączenia obrazowania i spektroskopii bez konieczności stosowania wielu oddzielnych komponentów.
Obrazowanie rentgenowskie nawet 27 razy szybsze
Zamiast analizować pojedyncze punkty próbki, badacze zastosowali wąską linię promieniowania rentgenowskiego. Przesuwając próbkę niewielkimi krokami, rejestrowali kolejne fragmenty obrazu, które następnie łączono komputerowo. W przypadku obiektów o kształcie kołowym metoda okazała się około 27 razy szybsza od konwencjonalnego skanowania punktowego, przy zachowaniu porównywalnego próbkowania przestrzennego.
Uzyskana rozdzielczość przestrzenna wynosiła około 14–24 mikrometrów. Do weryfikacji możliwości technologii wykorzystano specjalne wzory testowe, w tym gwiazdy Siemensa oraz napis „RIXS”. Istotnym osiągnięciem było również ograniczenie zniekształceń optycznych dzięki pracy układu RZP w trybie przyosiowym.
Pełna analiza spektroskopowa w zaledwie 220 sekund
Kolejnym etapem eksperymentu było wykorzystanie technologii do analizy chemicznej cieczy. Naukowcy zbadali strumień acetonitrylu rozpuszczonego w etanolu, stosując promieniowanie rentgenowskie o różnych energiach. Dzięki temu uzyskali dwuwymiarową mapę rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS), pozwalającą analizować właściwości elektronowe i molekularne próbki.
Kompletny zestaw danych spektroskopowych zebrano w około 220 sekund, bez konieczności zmiany konfiguracji aparatury. Pomiar obejmował energie emitowanych fotonów od 388,6 do 401,8 eV, a szacowana rozdzielczość widmowa wyniosła około 0,3 eV.
Silna dyspersja RZP pozwala na jednoczesny pomiar kilku cech spektroskopowych – powiedział dr Christoph Braig. – Co ważne, zarówno sygnały sprężyste, jak i niesprężyste można rejestrować w tej samej konfiguracji optycznej.
Jeden element optyczny zamiast rozbudowanej aparatury
Najważniejszą innowacją jest połączenie kilku funkcji optycznych w pojedynczej refleksyjnej płytce strefowej. Rozwiązanie może ograniczyć liczbę komponentów, uprościć kalibrację urządzeń i skrócić czas pomiarów.
Nasze eksperymenty pokazują, że RZP może dostarczać zarówno informacji przestrzennych, jak i spektroskopowych, wykorzystując kompaktowy układ optyczny – powiedział dr Jens Rehanek. – Może to sprawić, że zaawansowane pomiary miękkiego promieniowania rentgenowskiego będą bardziej wydajne i łatwiejsze w realizacji.
Technologia może znaleźć zastosowanie w obrazowaniu rentgenowskim, mapowaniu chemicznym i pierwiastkowym oraz badaniach procesów dynamicznych.
Jakie znaczenie może mieć nowa technologia dla badań biomedycznych?
Możliwość jednoczesnego uzyskiwania informacji przestrzennych i chemicznych może być istotna dla rozwoju zaawansowanych metod analizy materiałów, również tych wykorzystywanych w badaniach biomedycznych i farmaceutycznych. Potencjalne zastosowania obejmują charakterystykę materiałów, analizę ich składu oraz obserwację zmian zachodzących podczas procesów chemicznych.
Należy jednak podkreślić, że technologia znajduje się na etapie eksperymentalnym i nie została opracowana jako metoda diagnostyki obrazowej pacjentów. Jej przydatność w medycynie wymagałaby odrębnych badań.
Główne wnioski
- Nowa technologia rentgenowska umożliwia obrazowanie nawet 27 razy szybciej niż konwencjonalne skanowanie punktowe. Międzynarodowy zespół naukowców z Niemiec, Szwajcarii i Japonii wykazał taką poprawę szybkości w przypadku próbek o kształcie kołowym.
- Refleksyjna płytka strefowa (RZP) łączy obrazowanie rentgenowskie i analizę spektroskopową w jednym elemencie optycznym. Rozwiązanie pozwala uprościć aparaturę badawczą, ograniczyć liczbę komponentów i jednocześnie analizować strukturę oraz właściwości chemiczne materiałów.
- Kompletny zestaw danych spektroskopowych uzyskano w około 220 sekund. Eksperyment przeprowadzony w ośrodku DESY w Hamburgu umożliwił wykonanie mapowania RIXS, a rozdzielczość przestrzenna obrazowania wyniosła około 14–24 mikrometrów.
- Technologia może znaleźć zastosowanie w zaawansowanych badaniach materiałowych, chemicznych i potencjalnie biomedycznych. Wyniki opublikowane w czasopiśmie „Optics Express” potwierdzają możliwości eksperymentalnego układu RZP, jednak metoda nie jest obecnie rozwiązaniem przeznaczonym do rutynowej diagnostyki pacjentów.
Źródło:
- https://www.tohoku.ac.jp/en/press/single_optical_element_combines_soft_x_ray_imaging_and_spectroscopy.html
- https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-34-16-30262
