基于单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像

陶 芬， 丰丙刚， 邓 彪， 2*, 孙天希， 杜国浩， 谢红兰， 肖体乔

1. 中国科学院上海应用物理研究所， 上海 201800 2. 中国科学院上海高等研究院， 张江实验室上海光源科学中心， 上海 201210 3. 北京师范大学， 北京 100875

引 言

微束X射线荧光成像是一种具有高空间分辨率、 高灵敏度、 可无损分析样品内部元素空间分布的研究方法， 分为荧光扫描成像(X-ray fluorescence mapping)与微束荧光CT(microbeam X-ray fluorescence computed tomography, μ-XFCT)， 微束X射线荧光成像广泛应用到材料、 生物、 医学等诸多领域[1-2]， 它已经作为研究样品元素分布的重要手段之一。

上海光源BL13W线站已于2011年建立了X射线荧光成像系统并对用户开放[3-4]， 该系统基于狭缝限束方法获得微束X射线。 由于没有聚焦元件， 该荧光成像系统探测限较低， 其空间分辨为150 μm， 大量用户提出了开展微束聚焦荧光成像的需求。

首先介绍针对上海光源BL13W线站的荧光成像的椭球镜参数设计； 再对研制的椭球镜聚焦光进行性能评估； 基于研制的椭球镜搭建了微束X射线荧光成像系统， 并对中风鼠脑进行二维荧光扫描成像， 及鼠脑和标准砷溶液的荧光CT成像， 获得了其中的微量元素的空间分布。

1 椭球聚焦镜设计与检测

椭球聚焦镜是反射面为椭球的单次反射单毛细管， 为全反射元件， 反射面为椭球面。 光源点位于椭球的一个焦点上， 聚焦光斑位于另一个焦点上， X射线经过毛细管单次反射后聚焦在样品上， 可提高样品点处光通量密度[5-7]， 其具有反射效率高、 工作距离长、 接收角宽、 适用X射线能量范围宽、 体积小等优点。

1.1 物理参数设计

椭球镜是内表面为椭球面的单毛细管， 其光学示意图如图1所示。

针对上海光源成像线站(BL13W)的光斑参数[8]设计用于荧光成像的椭球物理参数。 图1是椭球镜的聚焦原理图。 光源点位于椭圆的一个焦点F(当椭球的长半轴a≫b时， 焦点靠近顶点)处， 照射到椭球镜内表面发生全反射， 将光源成像在椭球镜的另一个焦点F′(样品)处， 从而达到聚焦的效果[9]。

图1 椭球镜的聚焦原理示意图

上海光源X射线成像线站为插入件扭摆器光源， 光源点到样品的距离为34 m。 设计出椭球镜物理参数如表1。

表1 椭球镜物理参数

根据设计的物理参数成功拉制出符合设计要求的椭球镜， 研制的椭球镜实物图如图2[10]。

图2 椭球镜的照片

1.2 椭球镜检测

X射线荧光成像中， 椭球镜的聚焦光斑大小决定了其分辨率， 椭球镜焦深决定了样品的厚度， 焦距决定了样品到椭球镜的距离， 为此对于椭球的检测包括近场的焦点光斑大小、 焦距、 焦深等参数。

为实现椭球镜的同步辐射X射线检测， 在上海光源成像线站搭建了椭球镜的测试系统， 选择能量12 keV下进行检测。 将椭球镜放置在六维高精度旋转台， 通过调节其旋转角以及俯仰角2个维度方向得到均匀的聚焦光斑， 椭球镜前端安装beamstop用于遮挡椭球镜中间的直通光， 椭球镜的后方放置高分辨探测器用于检测其聚焦光斑， 探测器单像素为6.5 μm·pixel-1， 使用光学系统10倍放大后等效单像素尺寸为0.65 μm·pixel-1。

图3 椭球镜焦点光斑图

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

在距离椭球镜出口15 mm处得到最小最亮的光斑(曝光时间50 ms)， 同时测得焦深为1.5 mm， 焦斑的半高全宽(full width at half maximum, FWHM)为14 μm， 光通量密度增益达255倍(相同条件下， 同一位置聚焦光斑灰度值与直通光下的灰度值)， 如图3(a)和(b)所示。

椭球镜性能测量结果如表2所示。

表2 椭球镜聚焦性能测量结果

2 基于椭球镜的微束X射线荧光成像

在上海光源BL13W搭建的X射线荧光成像实验装置图如图4所示。 通过椭球镜将同步辐射光聚焦成微束， 照射到样品处， 提高样品处的光通量， 样品放置在距离椭球镜出光口15 mm处， 并在与光路成45°方向进行扫描使样品上点到探测器的距离相同， 再通过与光路成90°方向上放置荧光探测器(SDD， SⅡ, Vortex-90E)来收集其荧光光谱。 沿着光路方向的高分辨探测器(6.5 μm·pixel-1)用来检测样品的透射成像， 观察样品是否处于光路中。

图4 微束X射线荧光成像实验装置图

2.1 二维荧光mapping扫描成像

X射线能量为12 keV， 选用中风鼠脑切片作为测试样品， 由于其中的元素含量较低， 在无聚焦镜情况下， 荧光扫描无法有效获得元素荧光光谱。 将椭球聚焦镜加入光路中， 中风鼠脑切片作为样品固定在Capton膜上， 放置在距离椭球镜出口15 mm的焦点处， 样品扫描移动方向与入射X射线成45°夹角， 扫描步进为50 μm， 使用荧光探测器(SDD)采集荧光光谱， 单张采集时间为1 s。

得到结果如图5所示。 实验得到中风鼠脑中的四种元素的荧光光谱图， 图中分别表示鼠脑切片中铜、 铁、 钙与锌的元素分布。 从实验结果可以看出中风鼠脑中每种微量元素分布是不一样的： Fe与Zn的分布较为均匀； Cu分布较为不均匀， 在图片左半部分分布较为集中； Ca的分布不均匀， 其主要分布在图片的下半部分。

图5 中风鼠脑切片中的微量元素分布图

光路中添加了椭球聚焦镜后， 不仅可以检测到样品中微量元素， 而且可以清晰地观察到其分布情况。 该实验结果初步表明了， 基于椭球聚焦镜的同步辐射荧光扫描成像可以检测出样品中微量元素的荧光光谱图， 实现了高灵敏度、 高分辨率的成像。

2.2 荧光CT成像

采用浓度为0.5 mg·L-1砷标准溶液与鼠脑块分别作为实验样品， 进行基于椭球镜的同步辐射荧光CT实验[11]。 实验X射线能量为20 keV， 将样品放置在椭球镜出口15 mm焦距处的样品台上。 砷标准溶液样品的CT扫描步长为20 μm， 鼠脑样品的CT扫描步长为30 μm， 使用荧光探测器获取荧光光谱， 单点测量时间为0.8 s。 样品每隔6°旋转一次获得一张单张荧光谱， 共旋转60次， 总共采集60张投影图片。 由于荧光采集所需时间长， 实验为了节约时间， 只做了样品的一个切片结果。 将得到的结果使用OSEM算法进行数据重构[12]。 得到重构的样品荧光CT切片图如图6所示。 图中(a)图为0.5 mg·L-1砷溶液重构出的荧光CT， 从图中可以看出砷元素的分布状况； 图中(b)图为鼠脑切片中铜元素的荧光CT切片图， 由图片可以看出鼠脑的铜元素的分布。

实验结果表明， 基于椭球镜的同步辐射荧光CT实现了对砷溶液、 鼠脑块铜元素分布的重建。 在未使用聚焦镜的实验中光斑通过卡狭缝只能达到150 μm×500 μm(宽×高)， 单张荧光谱获取时间为3 s， 而使用了聚焦镜之后， 光斑大小为14 μm(FWHM)， 其空间分辨率提高了， 同时单张荧光谱获取时间也缩短到0.8 s。 对比可知椭球聚焦镜的使用提高了其空间分辨率， 减少了曝光时间。

图6 样品的荧光CT切片图

3 总结与展望

基于自主研制的椭球聚焦镜， 搭建了同步辐射微束X射线荧光成像系统， 提高了样品处光通量密度、 成像的空间分辨率、 灵敏度以及元素探测限。 通过二维荧光mapping扫描成像， 得到鼠脑切片中的微量元素的分布图。 通过微束荧光CT成像， 基于OSEM算法与较少的投影图， 重构得到了标准砷溶液及鼠脑中砷与铜元素分布的切片图。 接下来， 将通过优化实验条件， 提高实验效率， 以期得到完整的三维元素分布图像。

同时单毛细管椭球聚焦镜还可以应用到透射X射线显微镜中。 设计专门的椭球镜， 利用其聚焦环形与波带片匹配， 可实现纳米级的高空间分辨成像。