陶 芬， 豐丙剛， 鄧 彪， 2*, 孫天希， 杜國浩， 謝紅蘭， 肖體喬

1. 中國科學院上海應用物理研究所， 上海 201800 2. 中國科學院上海高等研究院， 張江實驗室上海光源科學中心， 上海 201210 3. 北京師范大學， 北京 100875

引 言

微束X射線熒光成像是一種具有高空間分辨率、 高靈敏度、 可無損分析樣品內部元素空間分布的研究方法， 分為熒光掃描成像(X-ray fluorescence mapping)與微束熒光CT(microbeam X-ray fluorescence computed tomography, μ-XFCT)， 微束X射線熒光成像廣泛應用到材料、 生物、 醫(yī)學等諸多領域[1-2]， 它已經作為研究樣品元素分布的重要手段之一。

上海光源BL13W線站已于2011年建立了X射線熒光成像系統(tǒng)并對用戶開放[3-4]， 該系統(tǒng)基于狹縫限束方法獲得微束X射線。 由于沒有聚焦元件， 該熒光成像系統(tǒng)探測限較低， 其空間分辨為150 μm， 大量用戶提出了開展微束聚焦熒光成像的需求。

首先介紹針對上海光源BL13W線站的熒光成像的橢球鏡參數(shù)設計； 再對研制的橢球鏡聚焦光進行性能評估； 基于研制的橢球鏡搭建了微束X射線熒光成像系統(tǒng)， 并對中風鼠腦進行二維熒光掃描成像， 及鼠腦和標準砷溶液的熒光CT成像， 獲得了其中的微量元素的空間分布。

1 橢球聚焦鏡設計與檢測

橢球聚焦鏡是反射面為橢球的單次反射單毛細管， 為全反射元件， 反射面為橢球面。 光源點位于橢球的一個焦點上， 聚焦光斑位于另一個焦點上， X射線經過毛細管單次反射后聚焦在樣品上， 可提高樣品點處光通量密度[5-7]， 其具有反射效率高、 工作距離長、 接收角寬、 適用X射線能量范圍寬、 體積小等優(yōu)點。

1.1 物理參數(shù)設計

橢球鏡是內表面為橢球面的單毛細管， 其光學示意圖如圖1所示。

針對上海光源成像線站(BL13W)的光斑參數(shù)[8]設計用于熒光成像的橢球物理參數(shù)。 圖1是橢球鏡的聚焦原理圖。 光源點位于橢圓的一個焦點F(當橢球的長半軸a?b時， 焦點靠近頂點)處， 照射到橢球鏡內表面發(fā)生全反射， 將光源成像在橢球鏡的另一個焦點F′(樣品)處， 從而達到聚焦的效果[9]。

圖1 橢球鏡的聚焦原理示意圖

上海光源X射線成像線站為插入件扭擺器光源， 光源點到樣品的距離為34 m。 設計出橢球鏡物理參數(shù)如表1。

表1 橢球鏡物理參數(shù)

根據(jù)設計的物理參數(shù)成功拉制出符合設計要求的橢球鏡， 研制的橢球鏡實物圖如圖2[10]。

圖2 橢球鏡的照片

1.2 橢球鏡檢測

X射線熒光成像中， 橢球鏡的聚焦光斑大小決定了其分辨率， 橢球鏡焦深決定了樣品的厚度， 焦距決定了樣品到橢球鏡的距離， 為此對于橢球的檢測包括近場的焦點光斑大小、 焦距、 焦深等參數(shù)。

為實現(xiàn)橢球鏡的同步輻射X射線檢測， 在上海光源成像線站搭建了橢球鏡的測試系統(tǒng)， 選擇能量12 keV下進行檢測。 將橢球鏡放置在六維高精度旋轉臺， 通過調節(jié)其旋轉角以及俯仰角2個維度方向得到均勻的聚焦光斑， 橢球鏡前端安裝beamstop用于遮擋橢球鏡中間的直通光， 橢球鏡的后方放置高分辨探測器用于檢測其聚焦光斑， 探測器單像素為6.5 μm·pixel-1， 使用光學系統(tǒng)10倍放大后等效單像素尺寸為0.65 μm·pixel-1。

圖3 橢球鏡焦點光斑圖

(a)： The shape of focused spot； (b)： Three-dimensional light intensity profiles of focused spot

在距離橢球鏡出口15 mm處得到最小最亮的光斑(曝光時間50 ms)， 同時測得焦深為1.5 mm， 焦斑的半高全寬(full width at half maximum, FWHM)為14 μm， 光通量密度增益達255倍(相同條件下， 同一位置聚焦光斑灰度值與直通光下的灰度值)， 如圖3(a)和(b)所示。

橢球鏡性能測量結果如表2所示。

表2 橢球鏡聚焦性能測量結果

2 基于橢球鏡的微束X射線熒光成像

在上海光源BL13W搭建的X射線熒光成像實驗裝置圖如圖4所示。 通過橢球鏡將同步輻射光聚焦成微束， 照射到樣品處， 提高樣品處的光通量， 樣品放置在距離橢球鏡出光口15 mm處， 并在與光路成45°方向進行掃描使樣品上點到探測器的距離相同， 再通過與光路成90°方向上放置熒光探測器(SDD， SⅡ, Vortex-90E)來收集其熒光光譜。 沿著光路方向的高分辨探測器(6.5 μm·pixel-1)用來檢測樣品的透射成像， 觀察樣品是否處于光路中。

圖4 微束X射線熒光成像實驗裝置圖

2.1 二維熒光mapping掃描成像

X射線能量為12 keV， 選用中風鼠腦切片作為測試樣品， 由于其中的元素含量較低， 在無聚焦鏡情況下， 熒光掃描無法有效獲得元素熒光光譜。 將橢球聚焦鏡加入光路中， 中風鼠腦切片作為樣品固定在Capton膜上， 放置在距離橢球鏡出口15 mm的焦點處， 樣品掃描移動方向與入射X射線成45°夾角， 掃描步進為50 μm， 使用熒光探測器(SDD)采集熒光光譜， 單張采集時間為1 s。

得到結果如圖5所示。 實驗得到中風鼠腦中的四種元素的熒光光譜圖， 圖中分別表示鼠腦切片中銅、 鐵、 鈣與鋅的元素分布。 從實驗結果可以看出中風鼠腦中每種微量元素分布是不一樣的： Fe與Zn的分布較為均勻； Cu分布較為不均勻， 在圖片左半部分分布較為集中； Ca的分布不均勻， 其主要分布在圖片的下半部分。

圖5 中風鼠腦切片中的微量元素分布圖

光路中添加了橢球聚焦鏡后， 不僅可以檢測到樣品中微量元素， 而且可以清晰地觀察到其分布情況。 該實驗結果初步表明了， 基于橢球聚焦鏡的同步輻射熒光掃描成像可以檢測出樣品中微量元素的熒光光譜圖， 實現(xiàn)了高靈敏度、 高分辨率的成像。

2.2 熒光CT成像

采用濃度為0.5 mg·L-1砷標準溶液與鼠腦塊分別作為實驗樣品， 進行基于橢球鏡的同步輻射熒光CT實驗[11]。 實驗X射線能量為20 keV， 將樣品放置在橢球鏡出口15 mm焦距處的樣品臺上。 砷標準溶液樣品的CT掃描步長為20 μm， 鼠腦樣品的CT掃描步長為30 μm， 使用熒光探測器獲取熒光光譜， 單點測量時間為0.8 s。 樣品每隔6°旋轉一次獲得一張單張熒光譜， 共旋轉60次， 總共采集60張投影圖片。 由于熒光采集所需時間長， 實驗為了節(jié)約時間， 只做了樣品的一個切片結果。 將得到的結果使用OSEM算法進行數(shù)據(jù)重構[12]。 得到重構的樣品熒光CT切片圖如圖6所示。 圖中(a)圖為0.5 mg·L-1砷溶液重構出的熒光CT， 從圖中可以看出砷元素的分布狀況； 圖中(b)圖為鼠腦切片中銅元素的熒光CT切片圖， 由圖片可以看出鼠腦的銅元素的分布。

實驗結果表明， 基于橢球鏡的同步輻射熒光CT實現(xiàn)了對砷溶液、 鼠腦塊銅元素分布的重建。 在未使用聚焦鏡的實驗中光斑通過卡狹縫只能達到150 μm×500 μm(寬×高)， 單張熒光譜獲取時間為3 s， 而使用了聚焦鏡之后， 光斑大小為14 μm(FWHM)， 其空間分辨率提高了， 同時單張熒光譜獲取時間也縮短到0.8 s。 對比可知橢球聚焦鏡的使用提高了其空間分辨率， 減少了曝光時間。

圖6 樣品的熒光CT切片圖

3 總結與展望

基于自主研制的橢球聚焦鏡， 搭建了同步輻射微束X射線熒光成像系統(tǒng)， 提高了樣品處光通量密度、 成像的空間分辨率、 靈敏度以及元素探測限。 通過二維熒光mapping掃描成像， 得到鼠腦切片中的微量元素的分布圖。 通過微束熒光CT成像， 基于OSEM算法與較少的投影圖， 重構得到了標準砷溶液及鼠腦中砷與銅元素分布的切片圖。 接下來， 將通過優(yōu)化實驗條件， 提高實驗效率， 以期得到完整的三維元素分布圖像。

同時單毛細管橢球聚焦鏡還可以應用到透射X射線顯微鏡中。 設計專門的橢球鏡， 利用其聚焦環(huán)形與波帶片匹配， 可實現(xiàn)納米級的高空間分辨成像。