近期一项新的研究表明，一种新的计算成像技术有望提高透射X射线显微镜（TXM）的分辨率。傅里叶叠层衍射成像（Fourier ptychography）是一种在采集信息期间需要移动物镜的技术，在过去几年最开始的研发时就被设计为在可见光下使用。近期，来自瑞士保罗谢勒研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院的研究人员展示了此项技术与X射线协同工作的变化，并得到了高分辨率定量的相位和吸收对比度图像。研究人员表示，这种方法能让科学家得到对生物样品可能比目前更为详细的研究。

现在一般的成像系统存在的问题是，即使给定一组完美的光学元件，成像系统的分辨率也会受到入射光波长的限制。因此研究人员设想假如入射光是波长比可见光短几个数量级的X射线，理论上应该能够产生比光学显微镜所产生图像清晰数百倍的图像。现今存在的问题是，X射线光学元件的制造远非完美。

图1 Klaus Wakonig（左）和Ana Diaz以及其他保罗谢勒研究所（PSI）的研究人员，首次将傅立叶叠层衍射成像原理应用到X射线显微镜下。致谢提供图片的保罗谢勒研究所Markus Fischer研究员

在此项X射线光学研究中，最大的阻力来自物镜（一种将来自成像目标的光线聚焦到探测器上的光学元件）。理论上高分辨率成像的理想镜头是一个具有大数值孔径的镜头，数值孔径越大，它就可以捕捉到入射角越大的光线。但由于X射线不会被任何已知物质明显地折射，因此X射线光学没有可以直接等效为可见光显微镜中用来聚焦光的玻璃透镜的物镜。

模拟物镜

X射线显微镜通常以菲涅耳波带板（FZP）为基础来构建，而不是折射镜头。菲涅耳波带板通过衍射聚焦辐射，是一种优良的编码和解码孔径函数。保罗谢勒研究所（PSI）的Klaus Wakonig研究员以及其他PSI和苏黎世联邦理工学院的同事们只使用了一个这样的设备，但他们在采集信息时将FZP平行于成像平面移动，这样做有利于研究人员对衍射光束的大部分进行采样，因此当他们从单独的测量中重建图像时，就好像他们使用了具有更大数值孔径的物理物镜。

虽然研究人员在演示时使用了来自同步加速器的相干X射线，但他们认为通过对现有TXM光源进行相当简单的修改就可以实现相同的效果。该项目的首席研究员Andreas Menzel表示：“这是我们目前研究兴趣的核心——如何放宽稳定性、波束操纵和相干性的条件，从而使傅立叶叠层衍射成像技术能够被应用于更广泛的仪器。”

图2 目标图像分辨率分析的X射线相位对比图像。致谢提供图片的Klaus Wakonig等研究员

研究人员有信心可以改进的一个方面是过程的速度。目前，重建给定图像需要每次几秒钟的一百多次单独采集，并且每次采集都必须移动物镜和探测器。研究员Menzel表示：“事实上傅立叶叠层衍射成像技术通常都会比其他全视场成像技术慢，但目前正在研发阶段的更大的探测器让我们能够将探测器保持在同一位置，由于扫描范围小、FZP重量轻，剩余的扫描速度可以快上几个数量级。”

生物学上的应用

目前的TXM设备如果可以适用于X射线傅立叶叠层衍射成像技术，那么即使是装备不太先进的实验室也可以获得显著的新功能。生物材料通常在吸收X射线的强度方面几乎没有变化，因此所成的图像无法揭示重要的结构细节。但在另一方面，透射辐射的相位对生物材料成分的差异更加敏感，这意味着相位对比图像可以显示标准TXM难以捕捉到的非常细微的特征。

另一个使这项技术特别适合于生物学环境的优点是，它向样本传输的辐射量相对较小。Menzel 表示：“X射线往往会破坏你感兴趣的成像结构，但在我们的实验中，超出标准TXM的改进会给所需辐射带来几乎令人难以察觉的增加量。”

这种高分辨率成像精细结构的能力在研究组织和细胞培养等辐射敏感样本方面将是非常有应用价值的，利用这项技术研究人员可以深入了解从癌症到阿尔茨海默综合症等各种疾病。

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