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 однородны. 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
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.
Рентгеновские снимки
Существует четыре основных метода формирования рентгеновских фазово-контрастных изображений, в которых используются разные принципы преобразования фазовых изменений рентгеновских лучей, 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] [6] используют набор дифракционных решеток для измерения производной Что касается фазы, то при построении изображений с усилением рефракции [7] кристалл-анализатор также используется для дифференциальных измерений, а в рентгеновской интерферометрии [8] для непосредственного измерения фазы используется кристаллический интерферометр . Преимуществами этих методов по сравнению с рентгеновской визуализацией с обычным контрастом поглощения являются более высокий контраст для материалов с низким поглощением (поскольку фазовый сдвиг - это другой механизм, чем поглощение) и соотношение контраст / шум, которое увеличивается с увеличением пространственной частоты (поскольку многие методы фазового контраста обнаруживают первую или вторую производную фазового сдвига), что позволяет видеть более мелкие детали [6]. Одним из недостатков является то, что для этих методов требуется более сложное оборудование, такое как синхротронные или микрофокусные источники рентгеновского излучения, рентгеновские лучи. лучевая оптика и детекторы рентгеновского излучения высокого разрешения. 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. [9]
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. [10]
Просвечивающая электронная микроскопия
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. [11] [12]
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 аналитические ПЭМ используют дополнительные детекторы, прикрепленные к колонке для спектроскопических измерений , ПЭМВР имеют мало дополнительных приспособлений или вообще не имеют их, чтобы обеспечить однородную электромагнитную среду на всем протяжении колонны для каждого луча, выходящего из образца (проходящего 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.
Смотрите также
- Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения
- Микроскопия
- Фазово-контрастная микроскопия
- Фазово-контрастное рентгеновское изображение
- Количественная фазово-контрастная микроскопия
- Показатель преломления
- Рентгеновская компьютерная томография
Рекомендации
- ↑ Jiang Y, Chen Z, Han Y, Deb P, Gao H, Xie S и др. (Июль 2018 г.). «Электронная птихография 2D-материалов с глубоким субангстремовым разрешением». Природа . 559 (7714): 343–349. DOI : 10.1038 / 10.1038 / s41467-020-16688-6 . PMID 30022131 .
- ^ Фитцджеральд Р. (2000). «Фазочувствительная рентгеновская визуализация». Физика сегодня . 53 (7): 23–26. Bibcode : 2000PhT .... 53g..23F . DOI : 10.1063 / 1.1292471 .
- ^ а б Дэвид С, Нохаммер Б., Солак Х. Х., Зиглер Э (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 .
- ^ Уилкинс С.В., Гуреев Т.Э., Гао Д., Погани А., Стивенсон А.В. (1996). «Фазово-контрастное изображение с использованием полихроматического жесткого рентгеновского излучения». Природа . 384 (6607): 335–338. Bibcode : 1996Natur.384..335W . DOI : 10.1038 / 384335a0 .
- ^ Мяо Х., Панна А., Гомелла А.А., Беннет Э. Э., Знати С., Чен Л., Вэнь Х. (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 .
- ^ а б Фреденберг Э., Даниэльссон М., Стэйман Дж. В., Сивердсен Дж. Х., Ослунд М. (сентябрь 2012 г.). «Идеальная обнаруживаемость наблюдателя в дифференциальной фазово-контрастной визуализации с подсчетом фотонов с использованием линейно-системного подхода» . Медицинская физика . 39 (9): 5317–35. DOI : 10.1118 / 1.4739195 . PMC 3427340 . PMID 22957600 .
- ^ Дэвис Т.Дж., Гао Д., Гуреев Т.Е., Стивенсон А.В., Уилкинс С.В. (1995). «Фазово-контрастное изображение слабопоглощающих материалов с помощью жесткого рентгеновского излучения». Природа . 373 (6515): 595–598. Bibcode : 1995Natur.373..595D . DOI : 10.1038 / 373595a0 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Момосе А., Такеда Т., Итаи Й, Хирано К. (апрель 1996 г.). «Фазоконтрастная рентгеновская компьютерная томография для наблюдения биологических мягких тканей». Природная медицина . 2 (4): 473–5. DOI : 10.1038 / nm0496-473 . PMID 8597962 .
- ^ «Фазоконтрастная визуализация» . UCL Департамент медицинской физики и биоинженерии Группа радиационной физики . Архивировано из оригинального 28 сентября 2011 года . Проверено 19 июля 2011 .
- ^ Chen JY, Bottjer DJ, Davidson EH, Li G, Gao F, Cameron RA и др. (Сентябрь 2009 г.). «Фазово-контрастная синхротронная рентгеновская микротомография эдиакарских (доушантуо) микрофоссилий многокамерных животных: филогенетическое разнообразие и эволюционные последствия». Докембрийские исследования . 173 (1–4): 191–200. DOI : 10.1016 / j.precamres.2009.04.004 .
- ^ Уильямс Д.Б. , Картер CB (2009). Просвечивающая электронная микроскопия: Учебник материаловедения . Спрингер, Бостон, Массачусетс. DOI : 10.1007 / 978-0-387-76501-3 . ISBN 978-0-387-76500-6.
- ^ Фульц Б. , Хоу Дж. 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.