Ένας νέος αλγόριθμος που αντισταθμίζει τις ελλείψεις σε φακούς ακτίνων Χ θα μπορούσε να κάνει τις εικόνες από μικροσκόπια ακτίνων Χ πολύ πιο ευκρινείς και υψηλότερης ποιότητας από ποτέ, λένε ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν της Γερμανίας. Οι προκαταρκτικές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στο Γερμανικό Ηλεκτρονικό Σύγχροτρο (DESY) στο Αμβούργο έδειξαν ότι ο αλγόριθμος καθιστά δυνατή την επίτευξη ανάλυσης κάτω των 10 nm και ποσοτικής αντίθεσης φάσης ακόμη και με εξαιρετικά ατελή οπτικά.
Τα τυπικά μικροσκόπια ακτίνων Χ είναι μη καταστροφικά εργαλεία απεικόνισης ικανά να επιλύουν λεπτομέρειες μέχρι το επίπεδο των 10 nm σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες. Υπάρχουν τρεις κύριες τεχνικές. Το πρώτο είναι το μικροσκόπιο ακτίνων Χ μετάδοσης (TXM), το οποίο αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1970 και το οποίο χρησιμοποιεί πλάκες ζώνης Fresnel (FZPs) ως αντικειμενικούς φακούς για την άμεση απεικόνιση και τη μεγέθυνση της δομής ενός δείγματος. Η δεύτερη είναι η συνεκτική διαθλαστική απεικόνιση, η οποία αναπτύχθηκε για να παρακάμψει τα προβλήματα που σχετίζονται με ατελείς φακούς FZP αντικαθιστώντας τον σχηματισμό εικόνας που βασίζεται σε φακούς με έναν επαναληπτικό αλγόριθμο ανάκτησης φάσης. Η τρίτη τεχνική, η μικροσκοπία ακτίνων Χ πλήρους πεδίου, βασίζεται σε ενσωματωμένη ολογραφία και έχει τόσο υψηλή ανάλυση όσο και ρυθμιζόμενο οπτικό πεδίο, καθιστώντας την πολύ καλή για την απεικόνιση βιολογικών δειγμάτων με ασθενή αντίθεση.
Συνδυάζοντας τρεις τεχνικές
Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Jakob Soltau, Markus Osterhoff και Tim Salditt από Ινστιτούτο Göttingen για τη Φυσική των Ακτίνων Χ έδειξε ότι με το συνδυασμό πτυχών και των τριών τεχνικών, είναι δυνατό να επιτευχθεί πολύ υψηλότερη ποιότητα και ευκρίνεια εικόνας. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν μια πολυστρωματική πλάκα ζώνης (MZP) ως αντικειμενικό φακό για να επιτύχουν υψηλή ανάλυση εικόνας, σε συνδυασμό με ένα ποσοτικό επαναληπτικό σχήμα ανάκτησης φάσης για την ανακατασκευή του τρόπου με τον οποίο οι ακτίνες Χ μεταδίδονται μέσω του δείγματος.
Ο φακός MZP είναι κατασκευασμένος από λεπτά δομημένα στρώματα με πάχος λίγων ατομικών στρωμάτων που εναποτίθενται από ομόκεντρους δακτυλίους σε ένα νανοσύρμα. Οι ερευνητές το τοποθέτησαν σε μια ρυθμιζόμενη απόσταση μεταξύ του δείγματος που απεικονίζεται και μιας κάμερας ακτίνων Χ στην εξαιρετικά φωτεινή και εστιασμένη δέσμη ακτίνων Χ στο DESY. Τα σήματα που έπληξαν την κάμερα παρείχαν πληροφορίες σχετικά με τη δομή του δείγματος – ακόμα κι αν απορρόφησε λίγη ή καθόλου ακτινοβολία ακτίνων Χ. «Το μόνο που έμεινε ήταν να βρεθεί ένας κατάλληλος αλγόριθμος για την αποκωδικοποίηση των πληροφοριών και την ανακατασκευή τους σε μια ευκρινή εικόνα», εξηγούν ο Soltau και οι συνεργάτες του. «Για να λειτουργήσει αυτή η λύση, ήταν ζωτικής σημασίας να μετρηθεί με ακρίβεια ο ίδιος ο φακός, ο οποίος δεν ήταν τέλειος, και να απαλλαγούμε εντελώς από την υπόθεση ότι θα μπορούσε να είναι ιδανικός».
Το μικροσκόπιο ακτίνων Χ οξύνεται
«Μόνο μέσω του συνδυασμού φακών και αριθμητικής ανακατασκευής εικόνας μπορούσαμε να επιτύχουμε την υψηλή ποιότητα εικόνας», συνεχίζει ο Soltau. «Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήσαμε τη λεγόμενη λειτουργία μεταφοράς MZP, η οποία μας επιτρέπει να καταργήσουμε τα τέλεια ευθυγραμμισμένα, χωρίς εκτροπές και παραμορφώσεις οπτικά, μεταξύ άλλων περιορισμών».
Οι ερευνητές ονόμασαν την τεχνική τους «απεικόνιση που βασίζεται σε δημοσιογράφους», επειδή, σε αντίθεση με τις συμβατικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν έναν αντικειμενικό φακό για να αποκτήσουν πιο ευκρινή εικόνα του δείγματος, χρησιμοποιούν το MZP για να «αναφέρουν» το φωτεινό πεδίο πίσω από το δείγμα, αντί προσπαθώντας να αποκτήσει μια ευκρινή εικόνα στο επίπεδο του ανιχνευτή.
Πλήρεις λεπτομέρειες της έρευνας δημοσιεύονται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.
