Nowy algorytm, który kompensuje wady soczewek rentgenowskich, może sprawić, że obrazy z mikroskopów rentgenowskich będą znacznie ostrzejsze i lepszej jakości niż kiedykolwiek wcześniej, mówią naukowcy z Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech. Wstępne testy przeprowadzone w Niemieckim Synchrotronie Elektronowym (DESY) w Hamburgu wykazały, że algorytm umożliwia uzyskanie rozdzielczości poniżej 10 nm i ilościowego kontrastu fazowego nawet przy bardzo niedoskonałej optyce.
Standardowe mikroskopy rentgenowskie to nieniszczące narzędzia do obrazowania, zdolne do rozróżniania szczegółów do poziomu 10 nm przy ultraszybkich prędkościach. Istnieją trzy główne techniki. Pierwszą z nich jest transmisyjna mikroskopia rentgenowska (TXM), która została opracowana w latach 1970. XX wieku i wykorzystuje płytki strefowe Fresnela (FZP) jako soczewki obiektywowe do bezpośredniego obrazowania i powiększania struktury próbki. Drugim jest koherentne obrazowanie dyfrakcyjne, które zostało opracowane w celu obejścia problemów związanych z niedoskonałymi soczewkami FZP poprzez zastąpienie tworzenia obrazu opartego na soczewkach iteracyjnym algorytmem odzyskiwania fazy. Trzecia technika, pełnopolowa mikroskopia rentgenowska, oparta jest na holografii liniowej i ma zarówno wysoką rozdzielczość, jak i regulowane pole widzenia, co czyni ją bardzo dobrą do obrazowania próbek biologicznych o słabym kontraście.
Połączenie trzech technik
W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Jakob Soltau, Markus Osterhoff i Tim Salditt od Instytut Fizyki Rentgenowskiej w Getyndze pokazał, że łącząc aspekty wszystkich trzech technik, można uzyskać znacznie wyższą jakość i ostrość obrazu. W tym celu wykorzystali wielowarstwową płytkę strefową (MZP) jako soczewkę obiektywu, aby uzyskać wysoką rozdzielczość obrazu, w połączeniu z ilościowym iteracyjnym schematem odzyskiwania fazy w celu zrekonstruowania sposobu, w jaki promienie rentgenowskie przechodzą przez próbkę.
Soczewka MZP zbudowana jest z drobnoziarnistych warstw o grubości kilku warstw atomowych, osadzonych z koncentrycznych pierścieni na nanodrucie. Naukowcy umieścili go w regulowanej odległości między obrazowaną próbką a aparatem rentgenowskim w niezwykle jasnej i skupionej wiązce promieniowania rentgenowskiego w DESY. Sygnały docierające do kamery dostarczały informacji o strukturze próbki – nawet jeśli pochłaniała ona niewiele promieniowania rentgenowskiego lub nie pochłaniała go wcale. „Pozostało tylko znaleźć odpowiedni algorytm do dekodowania informacji i rekonstrukcji ich w ostry obraz” – wyjaśniają Soltau i współpracownicy. „Aby to rozwiązanie zadziałało, kluczowe było dokładne zmierzenie samego obiektywu, co było dalekie od ideału, i całkowite odrzucenie założenia, że może być idealne”.
Wyostrza się mikroskopia rentgenowska
„Dopiero dzięki połączeniu soczewek i numerycznej rekonstrukcji obrazu mogliśmy osiągnąć wysoką jakość obrazu”, kontynuuje Soltau. „W tym celu wykorzystaliśmy tak zwaną funkcję transferu MZP, która pozwala nam między innymi pozbyć się idealnie wyrównanej, wolnej od aberracji i zniekształceń optyki”.
Naukowcy nazwali swoją technikę „obrazowaniem opartym na reporterze”, ponieważ w przeciwieństwie do konwencjonalnych podejść, które wykorzystują obiektyw do uzyskania ostrzejszego obrazu próbki, używają MZP do „raportowania” pola światła za próbką, zamiast próbując uzyskać ostry obraz w płaszczyźnie detektora.
Pełne szczegóły badań są publikowane w Physical Review Letters.
