Full-field fluorescence computed tomography (F3CT) using a calibrated virtual cone-beam pinhole geometry
تقدم هذه الورقة تقنية التصوير المقطعي الفلوري للمجال الكامل (F3CT)، وهي تقنية عالية الإنتاجية تعتمد على السنكروترون وتلغي المسح النقطي عبر استخدام هندسة ثقب مخروطي افتراضي مُعاير وكشف ثنائي الأبعاد قادر على تمييز الطاقة لتحقيق رسم خرائط عنصرية ثلاثية الأبعاد للعينات البيولوجية والجيولوجية مع سياق هيكلي متطابق.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
لفهم العالم الموجود داخل صخرة أو كائن حي، غالبًا ما ينظر العلماء إلى كيفية مرور الأشعة السينية من خلاله. هذه التقنية، المعروفة باسم التصوير المقطعي (tomography)، تنشئ خريطة ثلاثية الأبعاد لشكل العينة وكثافتها، مما يكشف عن الشقوق والطبقات والهياكل الداخلية. ومع ذلك، فإن معرفة شكل الشيء لا تخبرك دائمًا بما يتكون منه؛ فمن أجل رؤية المكونات الكيميائية، يستخدم الباحثون طريقة مختلفة تسمى "تفلور الأشعة السينية" (X-ray fluorescence). فعندما تصطدم الأشعة السينية بذرات معينة، تتوهج تلك الذرات بلون ضوئي محدد فريد لكل عنصر، مثل البصمة الكيميائية. تقليديًا، ولرسم خرائط لهذه العناصر في ثلاثة أبعاد، كان على العلماء مسح العينة نقطة بنقطة باستخدام شعاع ضيق ومركز من الأشعة السينية. هذه العملية بطيئة للغاية، مثل قراءة كتاب حرفًا بحرف، ويمكنها أحيانًا إتلاف العينات الحساسة بسبب الإشعاع الزائد.
لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة أسرع لرؤية كل من شكل وتكوين كيميائي لعينة ما في نفس الوقت. فقد طوروا تقنية جديدة تسمى "التصوير المقطعي الفلوري للمجال الكامل" (Full-field Fluorescence Computed Tomography)، أو F3CT. وبدلاً من مسح العينة حرفًا بحرف، تقوم هذه الطة بتسليط شعاع عريض من الأشعة السينية على الجسم بأكمله دفعة واحدة. وتقوم كاميرا خاصة بها ثقب صغير في مقدمتها بالتقاط الضوء المتوهج من العينة بأكملها في لقطة واحدة. ومن خلال أخذ العديد من هذه اللقطات أثناء دوران العينة، يمكن للفريق بناء خريطة ثلاثية الأبعاد لمكان وجود عناصر محددة. هذا النهج أسرع بكثير من الطرق القديمة ويسمح للعلماء بدمج الخرائط الكيميائية مع الصور الهيكلية عالية الدقة دون الحاجة لنقل العينة بين أجهزة مختلفة.
اختبر الباحثون هذه الطريقة الجديدة على جسمين مختلفين تمامًا: جزء صغير من سمكة زيبرا (zebrafish) وكومة من نوعين مختلفين من الصخور. كانت العينة الأولى عبارة عن شريحة من جذع سمكة زيبرا تم علاجها بصبغة الفضة، وهي تقنية شائعة في علم الأحياء لإبراز الأنسجة الرخوة. وباستخدام نظامهم الجديد، تمكن الفريق من إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد توضح بدقة أين يتوزع الفضة داخل عضلات وأعضاء السمكة. وقد فعلوا ذلك بينما كانوا يلتقطون في الوقت نفسه صورة مفصلة لعظام السمكة وبنيتها الجسدية. وكانت النتيجة صورة كاملة حيث يمكن رؤية الإشارة الكيميائية لصبغة الفضة وهي تطفو داخل الهيكل الواضح وعالي الدقة لجسم السمكة. وقد أثبت هذا أن الطريقة يمكن أن تعمل على الأنسجة الرخوة الشبيهة بالأنسجة الحية دون الحاجة لمسحها ببطء نقطة بنقطة.
تضمن الاختبار الثاني عينة جيولوجية مكونة من أسطوانتين من الصخور ملتصقتين معًا: إحداهما من الجرانيت والأخرى من السربنتينيت (serpentinite). تبدو هاتان الصخرتان متشابهتين نوعًا ما في صور الأشعة السينية القياسية لأن لهما كثافات متشابهة، مما يجعل من الصعب التمييز بينهما بمجرد النظر إلى شكلهما. ومع ذلك، كشفت تقنية التصوير الكيميائي الجديدة عن فرق واضح؛ فقد رصد النظام أن الجرانيت يحتوي على عناصر نزرة محددة، مثل الباريوم، التي لم تكن موجودة في السربنتينيت. كما رسم خريطة لتوزيع الحديد في جميع أنحاء الصخور. ومن خلال الجمع بين البيانات الكيميائية والصور الهيكلية، استطاع الباحثون التمييز بوضوح بين نوعي الصخور ورؤية مكان التقائهما، وهو أمر كان صعبًا باستخدام التصوير القياسي وحده.
كان جزء رئيسي من نجاح هذا العمل هو حل مشكلة هندسية معقدة. نظرًا لأن الكاميرا تنظر إلى العينة من خلال ثقب صغير، فإن الصور التي تراها تكون مشوهة بطريقة تختلف عن الكاميرات القياسية. فقد أنشأ الباحثون نموذجًا رياضيًا لتصحيح هذا التشوه، عبر التعامل مع الإعداد كما لو كان مخروطًا من الضوء وليس شعاعًا مسطحًا. واستخدموا عملية معايرة تتضمن كرة صغيرة لقياس المسافات والزوايا الدقيقة لمعداتهم. وقد سمح ذلك بإعادة بناء الخرائط الكيميائية ثلاثية الأبعاد بدقة. واستخدم النظام كاشفًا قادرًا على عد الفوتونات الفردية للأشعة السينية وفرزها حسب الطاقة، مما مكنهم من تحديد عناصر محددة مثل الفضة والحديد والباريوم بناءً على طاقة الضوء الذي تبعثه.
تظهر الدراسة أن هذه التقنية الجديدة تقدم مسارًا عمليًا لتصوير كيميائي ثلاثي الأبعاد أسرع وأكثر كفاءة. ورغم أن دقة الخريطة الكيميائية ليست بحدة طرق المسح البطيئة (نقطة بنقطة)، إلا أن سرعة وبساطة نهج المجال الكامل تجعلها قيمة للغاية. فهي تسمح للعلماء برؤية التوزيعات الكيميائية في العينات المعقدة التي قد يستغرق مسحها وقتًا طويلًا جدًا. إن القدرة على التقاط البنية والكيمياء لعينة ما في نفس الإعداد تفتح الباب لدراسة كيفية تغير المواد بمرور الوقت أو تحت الضغط، مما يوفر فهمًا أكثر اكتمالًا للعوالم الخفية داخل الصخور، والحفريات، والأنسجة البيولوجية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.