Full-field fluorescence computed tomography (F3CT) using a calibrated virtual cone-beam pinhole geometry
Dit artikel introduceert Full-field Fluorescence Computed Tomography (F3CT), een hoogdoorvoepsnelheidstechniek op basis van synchrotrons die rasterscannen elimineert door gebruik te maken van een gekalibreerde virtuele kegelvormige pinhole-geometrie en energie-resolverende 2D-detectie om 3D-elementaire mapping van biologische en geologische specimens met geregistreerde structurele context te bereiken.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Om de wereld binnenin een steen of een levend wezen te begrijpen, kijken wetenschappers vaak naar hoe röntgenstralen erdoorheen gaan. Deze techniek, bekend als tomografie, creëert een driedimensionale kaart van de vorm en dichtheid van een monster, waardoor barsten, lagen en interne structuren zichtbaar worden. Het kennen van de vorm van iets vertelt je echter niet altijd waar het uit bestaat. Om de chemische ingrediënten te zien, gebruiken onderzoekers een andere methode genaamd röntgenfluorescentie. Wanneer röntgenstralen bepaalde atomen raken, gloeien die atomen met een specifieke kleur licht die uniek is voor elk element, als een chemische vingerafdruk. Traditioneel moesten wetenschappers, om deze elementen in drie dimensies in kaart te brengen, een monster punt voor punt scannen met een kleine, gefocuste röntgenstraal. Dit proces is ongelooflijk traag, zoals het lezen van een boek letter voor letter, en het kan monsters soms beschadigen door te veel straling.
Een team van onderzoekers heeft nu een snellere manier gedemonstreerd om zowel de vorm als de chemische samenstelling van een monster tegelijkertijd te zien. Ze hebben een nieuwe techniek ontwikkeld genaamd Full-field Fluorescence Computed Tomography, of F3CT. In plaats van een monster letter voor letter te scannen, schijnt deze methode een brede röntgenstraal over het hele object tegelijk. Een speciale camera met een klein gaatje ervoor legt het gloeiende licht van het hele monster vast in één enkele snapshot. Door veel van deze snapshots te maken terwijl het monster draait, kan het team een 3D-kaart bouwen van waar specifieke elementen zich bevinden. Deze aanpak is veel sneller dan de oude methoden en stelt wetenschappers in staat om chemische kaarten te combineren met structurele afbeeldingen met een hoge resolutie, zonder het monster tussen verschillende machines te verplaatsen.
De onderzoekers testten deze nieuwe methode op twee zeer verschillende objecten: een klein deel van een zebravis en een stapel van twee verschillende soorten gesteente. Het eerste specimen was een doorsnede van de romp van een zebravis die was behandeld met een zilverkleuring, een veelgebruikte techniek in de biologie om zachte weefsels te accentueren. Met hun nieuwe systeem was het team in staat om een 3D-kaart te maken die precies liet zien waar het zilver binnenin de spieren en organen van de vis was verdeeld. Ze deden dit terwijl ze tegelijkertijd een gedetailleerde afbeelding van de botten en de lichaamsstructuur van de vis vastlegden. Het resultaat was een compleet beeld waarbij het chemische signaal van de zilverkleuring kon worden gezien, zwevend binnen de heldere, hoogwaardige structuur van het lichaam van de vis. Dit bewees dat de methode kon werken op zacht, levendachtig weefsel zonder dat het langzaam punt voor punt gescand hoefde te worden.
De tweede test betrof een geologisch specimen dat bestond uit twee cilinders gesteente die aan elkaar waren gelijmd: één gemaakt van graniet en de andere van serpentiniet. Deze gesteenten zien er in standaard röntgenfoto's enigszins hetzelfde uit omdat ze een vergelijkbare dichtheid hebben, wat het lastig maakt om ze enkel op basis van hun vorm uit elkaar te houden. De nieuwe chemische beeldvormingstechniek onthulde echter een duidelijk verschil. Het systeem detecteerde dat het graniet specifieke sporenelementen bevatte, zoals barium, die niet aanwezig waren in de serpentiniet. Het bracht ook de verdeling van ijzer door de gesteenten heen in kaart. Door de chemische gegevens te combineren met de structurele afbeeldingen, konden de onderzoekers de twee soorten gesteente duidelijk onderscheiden en zien waar ze elkaar ontmoetten, iets wat met standaard beeldvorming alleen moeilijk was.
Een essentieel onderdeel om dit werkend te krijgen, was het oplossen van een lastig geometrisch probleem. Omdat de camera naar het monster kijkt door een klein gaatje (pinhole), zijn de beelden die het ziet vervormd op een manier die verschilt van standaardcamera's. De onderzoekers creëerden een wiskundig model om deze vervorming te corrigeren, waarbij ze de opstelling behandelden alsof het een kegel van licht was in plaats van een platte straal. Ze gebruikten een kalibratieproces met een kleine bol om de exacte afstanden en hoeken van hun apparatuur te meten. Hierdoor konden ze de 3D-chemische kaarten nauwkeurig reconstrueren. Het systeem gebruikte een detector die in staat was om individuele röntgenfotonen te tellen en te sorteren op energie, wat hen in staat stelde om specifieke elementen zoals zilver, ijzer en barium te identificeren op basis van de energie van het licht dat zij uitzenden.
De studie laat zien dat deze nieuwe techniek een praktisch pad biedt naar snellere, efficiëntere 3D-chemische beeldvorming. Hoewel de resolutie van de chemische kaart niet zo scherp is als die van de trage, punt voor punt scannende methoden, maakt de snelheid en eenvoud van de full-field aanpak het zeer waardevol. Het stelt wetenschappers in staat om de chemische verdelingen in complexe monsters te zien die anders te lang zouden duren om te scannen. Het vermogen om zowel de structuur als de chemie van een monster in dezelfde opstelling vast te leggen, opent de deur naar het bestuderen van hoe materialen veranderen in de loop van de tijd of onder druk, wat een completer begrip biedt van de verborgen werelden binnenin gesteenten, fossielen en biologische weefsels.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.