Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фазово-контрастная визуализация - это метод визуализации, который имеет множество различных применений. Он использует различия в показателях преломления различных материалов, чтобы различать анализируемые структуры. В обычной световой микроскопии фазовый контраст можно использовать для различения структур с одинаковой прозрачностью и для исследования кристаллов на основе их двойного лучепреломления . Это используется в биологических, медицинских и геологических науках. В рентгеновской томографии те же физические принципы могут использоваться для увеличения контрастности изображения путем выделения мелких деталей с различным показателем преломления в структурах, которые в остальном являются однородными. ВПросвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), фазовый контраст позволяет получать изображения с очень высоким разрешением (HR), позволяя различать детали на расстоянии нескольких Ангстрем (в этой точке максимальное разрешение составляет 40 пм [1] ).

Световая микроскопия [ править ]

См. Также: Фазово-контрастная микроскопия и Количественная фазово-контрастная микроскопия.

Фазовый контраст использует тот факт, что разные структуры имеют разные показатели преломления и на разные величины изгибают, преломляют или задерживают прохождение света через образец. Изменения в прохождении света приводят к тому, что волны «не совпадают по фазе» с другими. Этот эффект может быть преобразован с помощью фазово-контрастных микроскопов в разность амплитуд, которые наблюдаются в окулярах и эффективно отображаются как более темные или более яркие области полученного изображения.

Фазовый контраст широко используется в оптической микроскопии как в биологических, так и в геологических науках. В биологии он используется для просмотра неокрашенных биологических образцов, что позволяет различать структуры с аналогичными показателями прозрачности или преломления.

В геологии фазовый контраст используется для выделения различий между кристаллами минералов, вырезанными до стандартного тонкого сечения (обычно 30  мкм ) и установленными под световым микроскопом. Кристаллические материалы способны проявлять двойное лучепреломление , при котором световые лучи, входящие в кристалл, разделяются на два луча, которые могут иметь разные показатели преломления в зависимости от угла, под которым они входят в кристалл. Фазовый контраст между двумя лучами может быть обнаружен человеческим глазом с помощью определенных оптических фильтров. Поскольку точная природа двойного лучепреломления различается для разных кристаллических структур, фазовый контраст помогает идентифицировать минералы.

Рентгеновское изображение [ править ]

Рентгеновское фазово-контрастное изображение паука

Существует четыре основных метода формирования рентгеновских фазово-контрастных изображений, в которых используются разные принципы преобразования фазовых изменений в рентгеновских лучах, исходящих от объекта, в изменения интенсивности на детекторе рентгеновского излучения . [2] [3] Фазовый контраст на основе распространения [4] использует распространение в свободном пространстве для усиления границ, Тальбот и полихроматическая интерферометрия в дальней зоне [3] [5] используют набор дифракционных решеток для измерения производной фазы. в визуализации с улучшенной рефракцией [6] кристалл-анализатор используется также для дифференциальных измерений, а в рентгеновской интерферометрии [7] используется кристаллинтерферометр для прямого измерения фазы. Преимущество этих методов по сравнению с обычной рентгеновской визуализацией с контрастным поглощением заключается в более высоком контрасте, что позволяет видеть более мелкие детали. Одним из недостатков является то, что для этих методов требуется более сложное оборудование, такое как синхротронные или микрофокусные источники рентгеновского излучения, рентгеновская оптика и детекторы рентгеновского излучения с высоким разрешением. Это сложное оборудование обеспечивает чувствительность, необходимую для различения небольших изменений показателя преломления рентгеновских лучей, проходящих через различные среды. Показатель преломления обычно меньше 1 с разницей от 1 между10 −7 и10 −6 .

Все эти методы создают изображения, которые можно использовать для вычисления проекций (интегралов) показателя преломления в направлении изображения. Для фазового контраста на основе распространения существуют алгоритмы восстановления фазы , для интерферометрии Тальбота и визуализации с усилением рефракции изображение интегрируется в правильном направлении, а для рентгеновской интерферометрии выполняется фазовая развертка . По этой причине они хорошо подходят для томографии , то есть восстановления 3D-карты показателя преломления объекта из множества изображений под немного разными углами. Для рентгеновского излучения отличие от 1 показателя преломления по существу пропорционально плотности материала.

Синхротронная рентгеновская томография может использовать фазово-контрастное изображение для получения изображений внутренних поверхностей объектов. В этом контексте фазово-контрастное изображение используется для увеличения контраста, который обычно возможен при обычной рентгенографии. Разница в показателе преломления между деталью и окружающей средой вызывает фазовый сдвиг между световой волной, которая проходит через деталь, и той, которая проходит вне детали. В результате получается интерференционная картина, выделяющая деталь. [8]

Этот метод использовался для получения изображений эмбрионов докембрийских многоклеточных животных из формации Доушантуо в Китае, что позволяет визуализировать внутреннюю структуру хрупких микрофоссилий без разрушения исходного образца. [9]

Просвечивающая электронная микроскопия [ править ]

В области просвечивающей электронной микроскопии фазово-контрастное изображение можно использовать для изображения столбцов отдельных атомов. Эта способность возникает из-за того, что атомы в материале дифрагируют электроны, когда электроны проходят через них (относительные фазы электронов меняются при прохождении через образец), вызывая дифракционный контраст в дополнение к уже существующему контрасту в проходящем пучке. Фазово-контрастное изображение - это метод визуализации с самым высоким разрешением из когда-либо разработанных, и он может обеспечивать разрешение менее одного ангстрема (менее 0,1 нанометра). Таким образом, он обеспечивает прямой просмотр столбцов атомов в кристаллическом материале. [10] [11]

Интерпретация фазово-контрастных изображений - непростая задача. Деконволюция контраста, наблюдаемого на изображении HR, чтобы определить, какие особенности связаны с какими атомами в материале, редко, если вообще когда-либо, можно сделать на глаз. Вместо этого, поскольку комбинация контрастов из-за множества дифрагирующих элементов и плоскостей и передаваемого луча является сложной, компьютерное моделирование используется для определения того, какой вид контраста различные структуры могут давать в фазово-контрастном изображении. Таким образом, необходимо понять разумный объем информации об образце, прежде чем можно будет правильно интерпретировать фазово-контрастное изображение, например, предположение о том, какую кристаллическую структуру имеет материал.

Фазово-контрастные изображения формируются путем полного удаления апертуры объектива или использования очень большой апертуры объектива. Это гарантирует, что не только прошедший, но и дифрагированный луч могут вносить вклад в изображение. Инструменты, специально разработанные для фазово-контрастной визуализации, часто называют HRTEM (просвечивающими электронными микроскопами высокого разрешения) и отличаются от аналитических TEM главным образом конструкцией колонны электронного луча. В то время как в аналитических ПЭМ используются дополнительные детекторы, прикрепленные к колонке для спектроскопических измерений , в ПЭМВР мало или совсем нет дополнительных приспособлений, чтобы обеспечить однородное электромагнитное излучение.среды на всем протяжении колонны для каждого луча, выходящего из образца (прошедшего и дифрагированного). Поскольку фазово-контрастное изображение основывается на различиях в фазах между электронами, покидающими образец, любые дополнительные фазовые сдвиги, возникающие между образцом и экраном просмотра, могут сделать изображение невозможным для интерпретации. Таким образом, очень низкая степень аберрации линзы также является требованием для HRTEM, а достижения в области коррекции сферической аберрации (Cs) позволили новому поколению HRTEM достичь разрешений, которые когда-то считались невозможными.

См. Также [ править ]

  • Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения
  • Микроскопия
  • Фазово-контрастная микроскопия
  • Фазово-контрастное рентгеновское изображение
  • Количественная фазово-контрастная микроскопия
  • Показатель преломления
  • Рентгеновская компьютерная томография

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Jiang, Yi (2018). «Электронная птихография 2D материалов с глубоким субангстремовым разрешением». Природа . 559 : 343–349. DOI : 10.1038 / 10.1038 / s41467-020-16688-6 .
  2. ^ Фитцджеральд, Ричард (2000). «Фазочувствительная рентгеновская визуализация». Физика сегодня . 53 (7): 23–26. Bibcode : 2000PhT .... 53g..23F . DOI : 10.1063 / 1.1292471 .
  3. ^ a b Дэвид, C, Нохаммер, B, Солак, HH, & Ziegler E (2002). «Дифференциальная рентгеновская фазово-контрастная визуализация с использованием интерферометра сдвига». Письма по прикладной физике . 81 (17): 3287–3289. Bibcode : 2002ApPhL..81.3287D . DOI : 10.1063 / 1.1516611 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. Перейти ↑ Wilkins, SW, Gureyev, TE, Gao, D, Pogany, A & Stevenson, AW (1996). «Фазово-контрастное изображение с использованием полихроматических жестких рентгеновских лучей». Природа . 384 (6607): 335–338. Bibcode : 1996Natur.384..335W . DOI : 10.1038 / 384335a0 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Мяо, Houxun; Панна, Алиреза; Гомелла, Андрей А .; Беннет, Эрик Э .; Знати, саами; Чен, Лэй; Вэнь, Хан (2016). «Универсальный эффект муара и его применение в рентгеновской фазово-контрастной визуализации» . Физика природы . 12 (9): 830–834. Bibcode : 2016NatPh..12..830M . DOI : 10.1038 / nphys3734 . PMC 5063246 . PMID 27746823 .  
  6. Перейти ↑ Davis, TJ, Gao, D, Gureyev, TE, Stevenson, AW & Wilkins, SW (1995). «Фазово-контрастное изображение слабопоглощающих материалов с использованием жесткого рентгеновского излучения». Природа . 373 (6515): 595–598. Bibcode : 1995Natur.373..595D . DOI : 10.1038 / 373595a0 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Momose, А, Такеда, Т, Итай, Y & Хирано, К (1996). «Фазоконтрастная рентгеновская компьютерная томография для наблюдения биологических мягких тканей». Природная медицина . 2 (4): 473–475. DOI : 10.1038 / nm0496-473 . PMID 8597962 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ "Phase Contrast Imaging", UCL Department of Medical Physics and Bioengineering Radiation Physics Group, http://www.medphys.ucl.ac.uk/research/acadradphys/researchactivities/pci.htm, доступ в Интернете 2011-07-19
  9. ^ Чен и др. (2009) Фазово-контрастная синхротронная рентгеновская микротомография эдиакарских (доушантуо) микрофоссилий многоклеточных животных: филогенетическое разнообразие и эволюционные последствия. Докембрийские исследования , том 173, выпуски 1-4, сентябрь 2009 г., страницы 191-200
  10. ^ Уильямс, Дэвид Б .; Картер, К. Барри (2009). Просвечивающая электронная микроскопия: Учебник материаловедения . Спрингер, Бостон, Массачусетс. DOI : 10.1007 / 978-0-387-76501-3 . ISBN 978-0-387-76500-6.
  11. ^ Фульц, Брент ; Хау, Джеймс М. (2013). Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов . Springer-Verlag Berlin Heidelberg. DOI : 10.1007 / 978-3-642-29761-8 . ISBN 978-3-642-29760-1.