Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

想象一下，试图为一个微小的生物体拍摄一张完美的、三维的立体照片，既不能压碎它，也不能让画面模糊。科学家们长期以来一直想做到这一点，以了解生物学从内向外的运作方式，但这里有一个难点：光线通常会直接穿过细胞或组织等柔软的东西，而不留下任何阴影。为了解决这个问题，研究人员使用 X 射线，X 射线可以穿透柔软的物质，但他们需要一种被称为“相位对比”（phase contrast）的特殊技巧，将 X 射线束中不可见的相位偏移转化为可见的图像。这就像观察游泳者在水中移动：你看不见游泳者，但你可以看到他们留下的涟漪。通过绘制这些涟漪，你就能准确判断游泳者的位置以及他们的形态。

然而，获取这些微小、脆弱物体的清晰 3D 图像过程极其缓慢且困难。这就像是在给一只正在飞行的蜂鸟拍照，但你必须让鸟停下来，拍一张照，移动一点位置，再让它停下，然后重复这个过程成千上万次。鸟会累，相机可能会抖动，而且整个过程会耗费极长时间。这就是目前的“近场叠层成像术”（near-field ptychography）——一种提供惊人细节的高科技成像方法，但由于速度太慢，往往不具备实际应用价值，尤其是对于那些容易干枯或在 X 射线照射下受损的脆弱生物样本而言。

本文介绍了一种加速这一过程并使样本制备变得更加容易的方法。研究人员构建了一个全新的“飞转”（fly-rotation）系统，该系统可以让样本在相机抓拍图像的同时连续旋转，而不是像坏掉的唱片机那样停停走走。他们还发明了一种微型机械车床，可以将生物样本快速切割成完美的微观柱体，比以往的方法要快得多。通过结合这两项创新，他们成功地大幅缩短了完成完整 3D 扫描所需的时间，使得在无需真空腔或冷冻样本的情况下，也能以纳米级的精度观察大象象牙和微小昆虫的复杂内部构造。

问题所在：慢动作相机

想象一下，你正试图为一个微小的、脆弱的物体（比如一粒沙子或一片叶子的一部分）建立一个 3D 模型。为了用 X 射线做到这一点，你必须旋转物体并从各个角度拍摄数千张照片。在旧的方法（称为“步进旋转法”）中，机器会旋转物体到一个特定角度，完全停止，等待其稳定以防止震动，拍摄一组照片，然后再次停止，旋转一小步，然后再重复。

这种“走走停停”的方法就像是试图通过在赛车旁边驾驶来给赛车拍照，每开几英尺就停下来拍一张，等车停稳，然后再重新启动。这种等待时间浪费了大量的时间。对于近场叠层成像术来说，这种等待时间是最大的瓶al瓶颈。物体在每个角度都需要经过多次扫描，这意味着电机不断地启动和停止。这不仅让扫描过程长达数小时，还增加了样本在漫长等待期间发生移动或被 X 射线损坏的风险。

解决方案：“飞转”妙招

研究人员提出了一个简单的问题：“如果我们不停止呢？”他们引入了一种称为“飞转旋转”的方法。与其在每个角度都让样本停止，不如让它像唱片机一样连续旋转，同时由相机捕捉图像。

这就像是在给一个旋转的陀螺拍视频，而不是拍一系列静止的照片。在旧方法中，你会让陀螺停下，拍一张照片，让它转动一点，再停下，再拍一张。在新的“飞转旋转”方法中，陀螺保持持续旋转，相机在运动过程中捕捉图像。因为样本不需要频繁地启动和停止，所以机器不必浪费时间等待震动消失。

团队在一段象牙柱（没错，来自象牙！）上测试了这一技术。他们将旧的“走走停停”扫描与新的“飞转旋转”扫描进行了对比。结果令人印象深刻：

• 旧方法： 扫描耗时 6 小时 4 分钟。
• 新方法： 扫描耗时 3 小时 41 分钟。

更棒的是，当他们调整设置以实现更快速度（减少拍照次数并缩短样本曝光时间）时，他们仅用 72 分钟 就完成了完整的扫描。原本花费在移动电机上的“额外时间”（开销）从 3 个多小时降至仅 18 分钟。这实现了 11 倍的开销缩减！他们获得的图像与慢速扫描一样清晰，展示了象牙内部的微小管道，分辨率约为 271 纳米（大约是病毒的宽度）。

另一个问题：切蛋糕

在你可以拍摄这些照片之前，你必须先制备样本。生物样本通常太大且太软，无法放入 X 射线束中。它们需要被切割成微小的柱体，通常宽度小于 50 微米（比人类头发还要细）。

传统上，科学家使用一种叫做聚焦离子束（FIB）的机器来切割这些样本。这就像是用超精密的激光从冰块中雕刻出雕像。但对于像植物或动物这样柔软、潮湿的东西，这种激光太慢了，并且可能会烧焦或使样本干枯。切割一个微小的柱体可能需要长达 48 小时，而且在过程中很容易损坏样本。

为了解决这个问题，团队制造了一台机械“样本铣削机”。想象一台微型高速木工车床，只不过它切割的不是木头，而是斑马鱼或苔藓叶子的部分。这台机器将样本固定在一个旋转主轴上，并用另一个带有微小锋利工具的部分进行切割。由于是机械切割而非激光切割，它对软质材料来说更快且更温和。

他们用各种材料测试了这台机器：

• 一块香肠（经过干燥处理使其变硬）。
• 一段斑马鱼切片（嵌入在蜡中）。
• 一块苔藓样本（嵌入在塑料中）。
• 一根木牙签。
• 大象象牙。

该机器成功地从所有这些材料中切割出了柱体，钢材的直径小至 20 微米，木材为 35 微米。它快速、可靠，且不需要将样本冷冻或置于真空环境中。这意味着科学家可以在几分钟内完成样本制备，而不是耗费数天，这为研究更多的生物标本打开了大门。

大局观

通过将“飞转旋转”扫描技巧与新的机械切割机相结合，研究人员构建了一个比现有任何技术都更快、更易于使用且更灵活的系统。他们不仅提高了扫描速度，还让获取微小生物样本 3D 图像的过程变得更加普及。

团队还指出，他们的装置具有很高的灵活性。他们可以通过调节样本与探测器之间的距离来改变放大倍数，从而观察不同大小的物体。他们甚至使用了一种带有微小激光刻蚀凸起的钻石板来帮助 X 射线产生更好的图像。这种钻石板比他们以前使用的砂纸更稳定，因为砂纸在长时间扫描过程中会发生漂移并毁掉图像。

最终，这项工作表明，我们现在可以仅用以往所需的一小部分时间，就能对复杂的生物系统进行高质量的 3D X 射线成像。虽然论文并未声称这是解决所有成像问题的“灵丹妙药”，但它表明，通过简单地改变样本的移动方式和制备方式，我们可以打破长期阻碍这项技术的速度壁垒。其结果是，我们拥有了一个能够以空前的清晰度和速度，洞察生物学隐藏的 3D 世界的工具。