Full-field fluorescence computed tomography (F3CT) using a calibrated virtual cone-beam pinhole geometry
Cet article présente la tomographie de fluorescence en champ intégral (F3CT), une technique à haut débit basée sur le rayonnement synchrotron qui élimine le balayage par raster en utilisant une géométrie de sténopé virtuelle à faisceau conique calibrée et une détection 2D résolvant l'énergie pour obtenir une cartographie élémentaire 3D de spécimens biologiques et géologiques avec un contexte structurel co-enregistré.
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Pour comprendre le monde à l'intérieur d'une roche ou d'une créature vivante, les scientifiques observent souvent la façon dont les rayons X traversent l'objet. Cette technique, appelée tomographie, crée une carte tridimensionnelle de la forme et de la densité d'un échantillon, révélant les fissures, les couches et les structures internes. Cependant, connaître la forme d'une chose ne permet pas toujours de savoir de quoi elle est composée. Pour voir les ingrédients chimiques, les chercheurs utilisent une méthode différente appelée fluorescence de rayons X. Lorsque les rayons X frappent certains atomes, ces atomes brillent d'une couleur de lumière spécifique, propre à chaque élément, comme une empreinte digitale chimique. Traditionnellement, pour cartographier ces éléments en trois dimensions, les scientifiques devaient scanner un échantillon point par point avec un faisceau de rayons X minuscule et focalisé. Ce processus est incroyablement lent, comme lire un livre lettre par lettre, et peut parfois endommager des échantillons délicats avec trop de radiations.
Une équipe de chercheurs a maintenant démontré une manière plus rapide de voir à la fois la forme et la composition chimique d'un échantillon en même temps. Ils ont développé une nouvelle technique appelée Tomographie de Fluorescence en Champ Complet, ou F3CT (Full-field Fluorescence Computed Tomography). Au lieu de scanner un échantillon lettre par lettre, cette méthode projette un faisceau large de rayons X sur l'objet entier à la fois. Une caméra spéciale dotée d'un minuscule trou devant elle capture la lumière brillante de l'ensemble de l'échantillon en un seul cliché. En prenant de nombreux clichés de ce type pendant que l'échantillon pivote, l'équipe peut construire une carte 3D de l'emplacement de certains éléments. Cette approche est beaucoup plus rapide que les anciennes méthodes et permet aux scientifiques de combiner des cartes chimiques avec des images structurelles à haute résolution sans déplacer l'échantillon entre différentes machines.
Les chercheurs ont testé cette nouvelle méthode sur deux objets très différents : une petite section de poisson zèbre et un empilement de deux types de roches. Le premier spécimen était une tranche du tronc d'un poisson zèbre qui avait été traitée avec une coloration à l'argent, une technique courante en biologie pour mettre en évidence les tissus mous. En utilisant leur nouveau système, l'équipe a pu créer une carte 3D montrant exactement où l'argent était distribué à l'intérieur des muscles et des organes du poisson. Ils ont fait cela tout en capturant simultanément une image détaillée des os et de la structure corporelle du poisson. Le résultat fut une image complète où le signal chimique de la coloration à l'argent pouvait être vu flottant à l'intérieur de la structure claire et haute résolution du corps du poisson. Cela a prouvé que la méthode pouvait fonctionner sur des tissus mous, semblables au vivant, sans nécessiter un scan lent point par point.
Le second test impliquait un spécimen géologique composé de deux cylindres de roche collés ensemble : l'un fait de granite et l'autre de serpentinite. Ces roches se ressemblent un peu dans les images de rayons X standards car elles ont des densités similaires, ce qui les rend difficiles à distinguer simplement par leur forme. Cependant, la nouvelle technique d'imagerie chimique a révélé une différence claire. Le système a détecté que le granite contenait des éléments traces spécifiques, tels que le baryum, qui étaient absents de la serpentinite. Il a également cartographié la distribution du fer à travers les roches. En combinant les données chimiques avec les images structurelles, les chercheurs pouvaient clairement distinguer les deux types de roches et voir où elles se rejoignaient, ce qui était difficile à faire avec l'imagerie standard seule.
Un aspect clé de la réussite de ce projet fut la résolution d'un problème géométrique complexe. Comme la caméra regarde l'échantillon à travers un minuscule sténopé, les images qu'elle voit sont déformées d'une manière différente de celle des caméras standards. Les chercheurs ont créé un modèle mathématique pour corriger cette distorsion, en traitant l'installation comme si elle regardait un cône de lumière plutôt qu'un faisceau plat. Ils ont utilisé un processus de calibration impliquant une petite sphère pour mesurer les distances et les angles exacts de leur équipement. Cela leur a permis de reconstruire les cartes chimiques 3D avec précision. Le système utilisait un détecteur capable de compter les photons individuels de rayons X et de les trier par énergie, ce qui leur a permis d'identifier des éléments spécifiques comme l'argent, le fer et le baryum en fonction de l'énergie de la lumière émise.
L'étude montre que cette nouvelle technique offre une voie pratique vers une imagerie chimique 3D plus rapide et plus efficace. Bien que la résolution de la carte chimique ne soit pas aussi nette que celle des méthodes de balayage point par point plus lentes, la rapidité et la simplicité de l'approche en champ complet la rendent très précieuse. Elle permet aux scientifiques de voir les distributions chimiques dans des échantillons complexes qui prendraient trop de temps à scanner autrement. La capacité de capturer à la fois la structure et la chimie d'un échantillon dans la même installation ouvre la porte à l'étude de la façon dont les matériaux changent au fil du temps ou sous l'effet de contraintes, offrant une compréhension plus complète des mondes cachés à l'intérieur des roches, des fossiles et des tissus biologiques.
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