Tomographic Phase Imaging with Randomized Probe Imaging
本文展示了随机探针成像（RPI）在断层扫描中的首次应用，通过单张远场衍射图样即可实现对立方金纳米颗粒的快速三维相位成像，其分辨率低于100纳米，从而在保持重建体积高度一致性的同时，显著加速了数据采集过程，并优于传统的基于叠层成像的方法。
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想象一下，试图去观察一个微小且隐形的微观世界，就像观察一个比沙粒还要小的手表内部的齿轮。科学家们使用一种被称为 X 射线（X-rays）的特殊工具来做到这一点，X 射线可以穿透人类肉眼无法看见的事物。但 X 射线非常棘手；它们经常直接穿透而不会留下清晰的图像，特别是当物体吸收光线很少时。为了解决这个问题，科学家们使用了一个聪明的技巧，叫做“相位成像”（phase imaging）。你可以这样理解：如果你用手电筒照射一扇透明的玻璃窗，你看不见玻璃本身，但如果你观察光线穿过玻璃时是如何弯曲和偏移的，你就能推断出玻璃的形状。这就是相位成像所做的事情——它通过绘制光波如何摆动和偏移的图谱，来揭示微小物体的隐藏 3D 结构。
通常，为了获得如此微小物体的完美 3D 图像，科学家必须从不同的角度拍摄数百张照片，就像医生办公室里的 CT 扫描一样。问题在于，获得这种高质量照片的最佳方式极其缓慢。这就像试图通过一次只画一笔的方式来创作一幅杰作，在同一个地方来回扫描数小时。这种缓慢使得捕捉快速发生的事件（例如晶体的形成或燃料电池的工作过程）变得不可能。该领域一直存在的一个重大问题是：“我们能否在不花一整天时间等待相机完成扫描的情况下，获得一个快速的纳米级世界 3D 图像？”
这篇论文讲述了阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员发现的一种名为“快速捷径”的新方法，以回答这个问题。他们在一组微小的立方体状金纳米颗粒上测试了一种称为“随机探针成像”（Randomized Probe Imaging, RPI）的方法。为了理解他们的窍门，想象一下你正试图通过用手电筒照射一个神秘物体来弄清楚它的样子。旧的、缓慢的方法（称为叠层衍射成像，ptychography）就像是在一个微小的、精确的网格模式中移动手电筒，在每一步都拍一张照片以构建一张完美的地图。它很精确，但耗时极长。
新方法 RPI 则更像是向物体投掷一把闪粉，以一种混乱、随机的模式进行，并仅拍摄一张杂乱反射的快照。研究人员使用了一种称为“随机区域板”（randomized zone plate）的特殊透镜来产生这种混乱的、类似闪粉的光模式。尽管照射物体的光是随机且杂乱的，但他们使用了一种聪明的计算机算法来理清乱象，并从那张单一的快照中重建出一张清晰的 2D 图像。他们针对许多不同的角度进行了这样的操作，就像标准的 CT 扫描一样，但他们不是在每个角度花费数小时进行扫描，而是每个角度只抓取一次快速快照。
结果令人印象深刻。当他们将这种快速、“单次成像”方法生成的 3于 3D 体积与缓慢、“完美”的方法进行对比时，两者看起来非常相似。快速方法无法看到最微小的细节（例如金立方体之间的微小间隙），它能解析的细节约为 62 纳米，但它完美地捕捉到了所有宏观形状。最棒的部分是速度。当传统方法需要大约四个小时来扫描样本时，他们的新方法如果使用标准的逐步扫描，只需 73 秒即可完成同样的工作，如果使用超快速的“飞扫”（fly scan），甚至只需 7.3 秒。
作者认为，这项技术是实时观察快速过程的游戏规则改变者。因为他们现在可以在几秒钟而不是几小时内获得纳米级物体的 3D 图像，他们终于可能能够拍摄像晶体生长或燃料电池运行过程中的实时画面。虽然分辨率不像慢速方法那样锐利，但这种速度上的权衡是值得的。论文证实了这种“单次成像”方法运行可靠，证明了我们并不总是需要缓慢而仔细地移动相机才能获得好的 3D 图像；有时，一点点混乱和快速的快门速度同样可以奏效。
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