En ny algoritm som kompenserar för brister i röntgenlinser skulle kunna göra bilder från röntgenmikroskop mycket skarpare och högre i kvalitet än någonsin tidigare, säger forskare vid universitetet i Göttingen, Tyskland. Preliminära tester utförda vid den tyska elektronsynkrotronen (DESY) i Hamburg visade att algoritmen gör det möjligt att uppnå en upplösning på under 10 nm och kvantitativ faskontrast även med mycket imperfekt optik.
Standardröntgenmikroskop är oförstörande bildverktyg som kan lösa detaljer ner till 10 nm-nivån vid ultrasnabba hastigheter. Det finns tre huvudtekniker. Den första är transmissionsröntgenmikroskopi (TXM), som utvecklades på 1970-talet och som använder Fresnel zone plates (FZP) som objektivlinser för att direkt avbilda och förstora ett provs struktur. Den andra är koherent diffraktiv avbildning, som utvecklades för att kringgå problemen förknippade med ofullkomliga FZP-linser genom att ersätta linsbaserad bildbildning med en iterativ fasåtervinningsalgoritm. Den tredje tekniken, full-field röntgenmikroskopi, är baserad på inline holografi och har både hög upplösning och ett justerbart synfält, vilket gör den mycket bra för avbildning av biologiska prover med svag kontrast.
Kombinera tre tekniker
I det nya arbetet har forskare under ledning av Jakob Soltau, Markus Osterhoff och Tim Salditt från Göttingens institut för röntgenfysik visade att genom att kombinera aspekter av alla tre teknikerna är det möjligt att uppnå mycket högre bildkvalitet och skärpa. För att göra detta använde de en flerskiktszonplatta (MZP) som en objektivlins för att uppnå hög bildupplösning, tillsammans med ett kvantitativt iterativt fasåtervinningsschema för att rekonstruera hur röntgenstrålar sänder genom provet.
MZP-linsen är gjord av fint strukturerade lager några få atomlager tjocka avsatta från koncentriska ringar på en nanotråd. Forskarna placerade den på ett justerbart avstånd mellan provet som avbildas och en röntgenkamera i den extremt ljusa och fokuserade röntgenstrålen på DESY. Signalerna som träffade kameran gav information om provets struktur – även om det absorberade lite eller ingen röntgenstrålning. "Allt som återstod var att hitta en lämplig algoritm för att avkoda informationen och rekonstruera den till en skarp bild", förklarar Soltau och kollegor. "För att den här lösningen skulle fungera var det avgörande att exakt mäta själva linsen, som var långt ifrån perfekt, och att helt avstå från antagandet att det kunde vara idealiskt."
Röntgenmikroskopi skärps
"Det var bara genom kombinationen av linser och numerisk bildrekonstruktion som vi kunde uppnå den höga bildkvaliteten", fortsätter Soltau. "För detta ändamål använde vi den så kallade MZP-överföringsfunktionen, som låter oss göra oss av med perfekt anpassad, aberrations- och distorsionsfri optik, bland andra begränsningar."
Forskarna har kallat sin teknik "reporter-based imaging" eftersom de, till skillnad från konventionella metoder som använder en objektivlins för att få en skarpare bild av provet, använder MZP för att "rapportera" ljusfältet bakom provet, snarare än försöker få en skarp bild i detektorns plan.
Fullständig information om forskningen publiceras i Fysiska granskningsbrev.
