[发明专利]实现显微镜系统超分辨成像的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超分辨显微术(super-resolution microscopy)技术领域，尤其涉及一种实现X射线显微镜系统超分辨成像的方法。

背景技术

相对于传统光学显微镜、电子显微镜等技术，X射线显微镜具有独特的优势。X射线波长短，受衍射效应影响小，可以达到很高的分辨率，目前三维成像可以达到26nm的分辨率，二维成像可以达到12nm的分辨率。此外，X射线穿透能力强，具有对厚样品的内部结构进行无损成像的能力，可以有效地减少了样品的准备时间，而且成像机制多样，如吸收、相位、散射等，衬度来源丰富。因而X射线显微镜可以观察、分析多种微观物理、化学变化和微纳米结构的形貌。近年来，纳米分辨尺度的X射线显微镜在世界各个同步辐射光源(synchrotron radiation light source)上得到了快速的发展，成为纳米结构表征的一种重要工具。

X射线显微镜中主要分为两类：X射线探针扫描显微镜(X-ray probe scanning microscopy)和X射线全场显微镜(X-ray full-field microscope)，两类显微镜各有优劣。X射线探针扫描显微镜是将X射线聚焦成微米或纳米量级的微探针，不但可以对样品各点进行逐点扫描，而且可以对样品中任意一个点单独进行能量扫描，形成空间分辨谱学。因为是逐点获取样品数据，数据获取速度必须足够快，通过X射线微探针的光通量必须足够大，所以这类显微镜比较适合建在亮度高的第三代同步辐射光源上。X射线全场显微镜的结构如图1所示。它的原理与传统的光学显微镜相同，主要包括X光源、管状聚焦镜(condenser)、波带片(zone plate)物镜，以及X射线图像探测器。实验中可一次性地将样品的整体二维图像摄入图像探测器，无需扫描，故数据获取速度较快。当在此系统中加入相移环(phase ring)的时候，更可以对弱吸收样品进行高衬度的泽尼克(Zernike)相位衬度成像。X射线全场显微镜还可以与计算机断层重建技术(Computed Tomography，简称CT)相结合，形成X射线纳米分辨三维成像。同时X射线全场显微镜的优势还在于它不仅可以建立在第一、二代同步辐射光源上，还可以使用常规X射线光源。上述特性的存在使得X射线全场显微镜相对于X射线探针扫描显微镜在三维无损成像方面具有巨大的优势和广阔的应用前景。

现有的纳米分辨尺度的X射线全场显微镜均使用波带片作为成像元件。根据光学衍射原理，X射线全场显微镜的空间分辨率主要取决于波带片。由简单计算可知，波带片数值孔径(Numerical Aperture，简称NA)所决定的分辨率约等于波带片的最外环宽度。由于受限于当前的微纳米加工技术，现有X射线全场显微镜的分辨率在一般在几十nm左右，仍然不能满足几个nm大小的微小结构的研究需求，例如纳米科学中的纳米结构三维形貌研究以及生命科学中的亚细胞体系(sub-cellular structures)的无损三维成像。另一方面，X射线全场显微镜主要依靠X射线穿过样品时候的吸收或相位变化进行成像。泽尼克(Zernike)相位衬度成像虽然对于弱吸收物质的图像衬度有一定程度的改善，但是仍然不是十分理想，且相位衬度成像依然是一种非定量的成像方法，这些问题的存在使得X射线全场显微镜依然不适用于细胞、材料等领域的研究。因此如何在现有X射线全场显微镜装置中，实现更高分辨率和高衬度的X射线成像方法成为人们研究的课题。

为了超越光学元件的限制，获得更高的分辨率，需要使用超分辨技术。现有的超分辨技术根据实现原理上可以分为两类：近场超分辨显微技术(near-field super-resolution microscopy)，以及使用荧光(fluorescence)的远场超分辨显微技术。其中，近场显微术绕过了光波的空间传播过程，不受到衍射的限制，能够实现小于波长量级的探测。但是由于依赖光波的近场特性，近场显微镜的工作距离被限制在一个波长之内，无法实现样品的3D体成像，而且一般需要通过二维的扫描过程来获得整幅图像。另一方面，基于荧光技术的远场超分辨显微术依靠荧光染料的光吸收/发射特性(photon absorption/emission)，通过探测由荧光染料分子激发后产生的光信息，也能够实现超越波长极限的分辨率。