Full-field fluorescence computed tomography (F3CT) using a calibrated virtual cone-beam pinhole geometry
本文介绍了一种全场荧光计算机断层扫描（F3CT）技术，这是一种基于同步辐射的高通量技术，它通过利用校准的虚拟锥束针孔几何结构和能量分辨二维检测，消除了光栅扫描，从而实现了具有共注册结构上下文的生物及地质标本的三维元素制图。
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为了了解岩石或生物体内部的世界，科学家们经常观察 X 射线如何穿过它们。这种被称为断层扫描的技术可以创建样本形状和密度的三维图谱，揭示裂缝、层理和内部结构。然而，仅仅知道一个物体的形状并不总能告诉你它的成分。为了观察其化学成分，研究人员使用一种称为 X 射线荧光的方法。当 X 射线撞击某些原子时，这些原子会发出一种特定的光色，这种颜色对每种元素都是独特的，就像化学指纹一样。传统上，为了在三维空间中绘制这些元素的分布图，科学家必须使用微小的聚焦 X 射线束对样本进行逐点扫描。这个过程极其缓慢，就像一次只读一本书中的一个字母，而且过多的辐射有时会损坏脆弱的样本。
一支研究团队现在展示了一种更快的方法，可以同时观察样本的形状和化学组成。他们开发了一种名为全场荧光计算机断层扫描（F3CT）的新技术。这种方法不再是逐个字母地扫描样本，而是将宽阔的 X 射线束一次性照射在整个物体上。一个带有微小孔洞的特殊相机可以在单次快照中捕捉整个样本发出的荧光。通过在样本旋转时拍摄许多这样的快照，团队可以构建出特定元素所在位置的三维图谱。这种方法比旧方法快得多，并且允许科学家在无需在不同机器之间移动样本的情况下，将化学图谱与高分辨率结构图像相结合。
研究人员在两个截然不同的物体上测试了这种新方法：一小段斑马鱼和一叠两种不同类型的岩石。第一个标本是经过银染色处理的斑马鱼躯干切片，银染色是生物学中用于突出软组织的常用技术。利用他们的新系统，团队能够创建一张三维图谱，精确显示银在鱼类肌肉和器官中的分布情况。在进行此操作的同时，他们还捕捉了鱼类骨骼和身体结构的详细图像。结果是一幅完整的图像，其中银染色的化学信号可以在鱼类身体清晰的高分辨率结构中被看到。这证明了该方法可以在不需要逐点缓慢扫描的情况下，应用于柔软的、类似生物的组织。
第二个测试涉及一个由两根粘合在一起的圆柱形岩石组成的地质标本：一根由花岗岩制成，另一根由蛇纹岩制成。在标准 X 射线图像中，这些岩石看起来有些相似，因为它们的密度相近，仅凭形状很难区分它们。然而，新的化学成像技术揭示了明显的差异。系统检测到花岗岩含有特定的微量元素（如钡），而蛇纹岩中则不存在这些元素。它还绘制了铁在岩石中的分布情况。通过将化学数据与结构图像相结合，研究人员可以清晰地辨别出两种岩石类型以及它们的交界处，这在仅使用标准成像技术时是很难做到的。
使这项工作成功的关键在于解决了一个复杂的几何问题。由于相机通过微小的针孔观察样本，它所看到的图像存在一种与标准相机不同的畸变。研究人员创建了一个数学模型来纠正这种畸变，将设置视为一个锥形光束而非平面光束。他们使用了一个涉及小球体的校准过程，来测量设备的精确距离和角度。这使得他们能够准确地重建三维化学图谱。该系统使用了一个能够计数单个 X 射线光子并按能量进行分类的探测器，这使他们能够根据光发射的能量来识别银、铁和钡等特定元素。
这项研究表明，这种新技术为更快、更高效的三维化学成像提供了一条切实可行的路径。虽然化学图谱的分辨率不如缓慢的逐点扫描方法那样锐利，但全场方法的速度和简便性使其具有极高的价值。它允许科学家观察复杂样本中的化学分布，而这些样本如果采用传统扫描方式则耗时过长。这种在同一设置下同时捕捉结构和化学成分的能力，为研究材料随时间或压力变化的过程打开了大门，从而为理解岩石、化石和生物组织内部隐藏的世界提供了更完整的视角。
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