Full-field fluorescence computed tomography (F3CT) using a calibrated virtual cone-beam pinhole geometry
本論文は、較正された仮想コーンビーム・ピンホール幾何学とエネルギー分解能を持つ2D検出を利用することで、ラスタースキャンを排除し、構造的なコンテキストと共登録された生物学的および地質学的試料の3次元元素マッピングを実現する、高スループットな放射光を用いた全視野蛍光コンピュータ断層撮影（F3CT）を導入するものである。
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岩石や生物の内部の世界を理解するために、科学者たちはしばしばX線がそれがどのように透過するかを調べます。トモグラフィーとして知られるこの技術は、サンプルの形状と密度の3次元マップを作成し、亀裂、層、および内部構造を明らかにします。しかし、物の形を知るだけでは、それが何でできているかまでは必ずしも分かりません。化学的な成分を見るために、研究者たちはX線蛍光と呼ばれる異なる手法を用います。X線がある種の原子に当たると、それらの原子は各元素に固有の特定の色の光で輝き、まるで化学的な指紋のような役割を果たします。伝統的に、これらの元素を3次元でマッピングするには、科学者は非常に細く焦点を絞ったX線ビームを用いて、サンプルを一点一点スキャンしなければなりませんでした。このプロセスは、本を一文字ずつ読むことのように非常に時間がかかり、過剰な放射線によってデリケートなサンプルを損傷させてしまうこともあります。
研究チームは、サンプルの形状と化学組成の両方を同時に見るための、より速い方法を新たに実証しました。彼らは、全視野蛍光計算トモグラフィー（Full-field Fluorescence Computed Tomography）、またはF3CTと呼ばれる新しい技術を開発しました。サンプルを一文字ずつスキャンする代わりに、この手法は広範囲のX線ビームを対象物全体に一度に照射します。小さな穴が開いた特殊なカメラが、単一のシャットショットでサンプル全体からの発光を捉えます。サンプルを回転させながらこれらのシャットショットを多数撮影することで、チームは特定の元素がどこに位置しているかの3次元マップを構築することができます。このアプローチは従来のメソッドよりもはるかに迅速であり、異なる装置間でサンプルを移動させることなく、化学マップと高解像度の構造画像を組み合わせることを可能にします。
研究者たちは、この新手法を、ゼブラフィッシュの小さな断片と、2種類の異なる岩石を積み重ねたものの2つの非常に異なる物体でテストしました。最初の検体は、生物学において軟組織を強調するための一般的な手法である銀染色処理を施したゼブラフィッシュの胴体の断面です。彼らの新しいシステムを用いることで、チームは銀が魚の筋肉や臓器のどこに分布しているかを正確に示す3次元マップを作成することができました。彼らはこれを行うと同時に、魚の骨や体の詳細な画像も捉えました。その結果、銀の化学信号が、透明で高解像度な魚の体の構造の中に浮遊している様子が見える完全な画像が得られました。これは、この手法が、一点ずつゆっくりとスキャンする必要なく、柔らかい、生き物に近い組織に対しても機能することを証明しました。
2番目のテストでは、グラナイト（花崗岩）とサーペンティナイト（蛇紋岩）の2種類の円柱を接着して作られた地質学的検体を用いました。これらの岩石は、標準的なX線画像では密度が似ているため、見た目では区別がつきにくいものです。しかし、この新しい化学イメージング技術は、明確な違いを明らかにしました。システムは、グラナイトにはサーペンティナイトには存在しないバリウムなどの特定の微量元素が含まれていることを検出しました。また、岩石全体における鉄の分布もマッピングしました。化学データと構造画像を組み合わせることで、研究者たちは2種類の岩石を明確に区別し、それらが接する場所を特定することができました。これは、標準的なイメージング単独では困難なことでした。
これが機能するための鍵となったのは、トリッキーな幾何学的問題の解決でした。カメラは小さなピンホールを通してサンプルを見ているため、そこに見える画像は標準的なカメラとは異なる歪みを生じます。研究者たちは、このセットアップを平坦なビームではなく、光の円錐として扱う数学的モデルを作成して、この歪みを補正しました。彼らは、装置の正確な距離と角度を測定するために、小さな球体を用いた校正プロセスを用いました。これにより、3次元の化学マップを正確に再構成することができました。システムは、個々のX線光子をカウントし、そのエネルギーごとに分類できる検出器を使用しており、これにより、放出される光のエネルギーに基づいて、銀、鉄、バリウムといった特定の元素を特定することができました。
この研究は、この新しい技術が、より速く、より効率的な3次元化学イメージングへの実用的な道筋を示すことを示しています。化学マップの解像度は、低速で一点ずつスキャンする方法ほど鋭くはありませんが、全視野アプローチの速度と簡便さは非常に価値があります。これにより、科学者は、スキャンに時間がかかりすぎる複雑なサンプルにおける化学分布を見ることができます。構造と化学の両方を同じセットアップで捉える能力は、材料が時間経過やストレスの下でどのように変化するかを研究する扉を開き、岩石、化石、および生物組織の内部に隠された世界をより完全に理解することを提供します。
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