Loại bỏ ống kính: Chụp ảnh ma tăng tốc độ lập bản đồ hóa học huỳnh quang tia X

Bằng cách loại bỏ thấu kính, tiến bộ này có thể mang lại lợi ích cho nhiều ứng dụng, bao gồm hình ảnh y tế, kiểm tra công nghiệp và phân tích nghệ thuật.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật không tiêu điểm mới để tạo bản đồ hóa học bằng cách sử dụng huỳnh quang tia X. Phương pháp này cung cấp các phép đo nhanh, có độ phân giải cao, có thể hữu ích để phân tích thành phần hóa học cho một loạt các ứng dụng trong y sinh học, khoa học vật liệu, khảo cổ học, nghệ thuật và công nghiệp.

Trưởng nhóm nghiên cứu Sharon Shwartz từ Đại học Bar Ilan ở Israel cho biết: “Phương pháp mới của chúng tôi kết hợp các kỹ thuật nổi tiếng của máy tính chụp ảnh ma và phép đo huỳnh quang tia X để tạo ra một phương pháp hiệu quả và có độ phân giải cao để tạo ra các bản đồ nguyên tố hóa học. “Chúng tôi kỳ vọng nó sẽ cho phép lập bản đồ hóa học của các vật thể lớn hơn ở độ phân giải cao hơn có thể hiện nay đồng thời cho phép đo các vật thể 3D phức tạp.”

Trong Optica , tạp chí của Optica Publishing Group dành cho nghiên cứu có tác động cao, Shwartz và các đồng nghiệp mô tả kỹ thuật huỳnh quang ma tính toán tia X mới của họ. Phương pháp này không yêu cầu lấy nét và giảm số lần quét cần thiết, giúp rút ngắn đáng kể thời gian đo. Ngoài ra, thực tế là nó có thể được điều chỉnh để phát hiện các yếu tố cụ thể trong khi bị mù mô người có thể cho phép các ứng dụng mới như máy quét bảo mật toàn thân cải thiện quyền riêng tư.

Shwartz cho biết: “Hình ảnh y tế, được thực hiện ở năng lượng tia X, nơi ống kính không thực tế, cũng có thể được hưởng lợi từ phương pháp tiếp cận của chúng tôi. “Nó có thể được áp dụng để tăng chất lượng hình ảnh X quang y tế bằng cách tăng độ tương phản của mô hoặc giảm liều lượng tia X cần thiết để có được những hình ảnh hữu ích.”

Nhìn thấy bên dưới bề mặt

Huỳnh quang tia X được sử dụng để xác định các nguyên tố hóa học trong một mẫu bằng cách đo huỳnh quang phát ra từ một mẫu sau khi nó được kích thích bởi một nguồn tia X. Dữ liệu thu được bằng kỹ thuật phân tích không phá hủy này có thể được sử dụng để tạo bản đồ hóa học đã tiết lộ các lớp ẩn trong các bức tranh nổi tiếng và được sử dụng để kiểm tra các bộ phận quan trọng của hàng không vũ trụ, chẳng hạn.

Lập bản đồ nguyên tố hóa học với huỳnh quang tia x theo truyền thống bao gồm việc tập trung chùm tia X đầu vào và sau đó đo huỳnh quang phát ra từ khu vực. Một bản đồ hóa học được xây dựng bằng cách quét từng điểm mẫu và ghi lại cường độ huỳnh quang tại mỗi điểm. Tuy nhiên, cách tiếp cận này chậm vì yêu cầu quét. Ngoài ra, độ phân giải không gian của các phép đo bị hạn chế bởi khả năng của các thấu kính được sử dụng để lấy nét.

Shwartz cho biết: “Những hạn chế này càng trở nên nổi bật hơn khi sử dụng năng lượng tia x cao hơn 20 keV hoặc khi cố gắng thu nhận thông tin 3D. “Mặc dù năng lượng tia X cao hơn có thể cho phép lập bản đồ hóa học của các vật thể dày hơn hoặc các mẫu chứa các nguyên tố dày và nặng, nhưng không thể sử dụng các năng lượng photon cao hơn này do những hạn chế của công nghệ tiêu chuẩn.”

Loại bỏ thấu kính

Các nhà nghiên cứu đã chuyển sang chụp ảnh bóng ma bằng máy tính để loại bỏ một số hạn chế của phân tích huỳnh quang tia X thông thường. Phương pháp chụp ảnh phi truyền thống này hoạt động bằng cách tương quan hai chùm tia không mang bất kỳ thông tin ý nghĩa nào riêng lẻ về đối tượng. Một chùm mã hóa một mẫu ngẫu nhiên hoạt động như một tham chiếu và không bao giờ trực tiếp thăm dò mẫu trong khi chùm khác tương tác với mẫu.

Các nhà nghiên cứu đã sửa đổi phương pháp chụp ảnh ma để nó có thể được sử dụng để lập bản đồ các nguyên tố hóa học. Mặc dù các phương pháp chụp ảnh ma thường liên quan đến việc đo bức xạ truyền qua, nhưng thay vào đó, các nhà nghiên cứu đã đo huỳnh quang phát ra.

Shwartz cho biết: “Đo huỳnh quang tia X cho phép chúng tôi xác định từng nguyên tố hóa học dựa trên phổ phát xạ độc nhất của nó. “Bằng cách sử dụng một máy dò có thể phân giải năng lượng của bức xạ phát ra, chúng tôi có thể xác định sự đóng góp của từng phần tử vào bức xạ được phát hiện.”

Mẫu ngẫu nhiên cần thiết cho hình ảnh bóng ma thường được tạo ra bằng cách thêm một điều chế không gian đã biết, hoặc biến thể, vào cường độ của chùm tia được sử dụng để chiếu xạ đối tượng. Các nhà nghiên cứu đạt được điều này bằng cách lặp lại các phép đo huỳnh quang cho các mẫu cường độ chùm tia đầu vào khác nhau.

Để tất cả chúng cùng nhau

Phương pháp tiếp cận huỳnh quang ma tính toán tia x mới tạo ra hai bộ dữ liệu cho mỗi năng lượng photon – một bộ với sự phân bố không gian của chùm tia đầu vào và một bộ chứa các phép đo huỳnh quang phát ra. Một chương trình máy tính sau đó đặt những dữ liệu này lại với nhau và phủ lên tất cả dữ liệu hình ảnh từ các năng lượng photon khác nhau để tạo ra một bản đồ nguyên tố hóa học của vật thể.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mới của họ để tạo bản đồ nguyên tố hóa học của một vật thể làm từ sắt và coban. Họ cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán cảm biến nén đã giảm số lần quét gần như là 10 so với các kỹ thuật dựa trên quét tiêu chuẩn.

Shwartz cho biết: “Vì thiết lập của chúng tôi đơn giản và có thể mang lại hiệu suất tốt hơn so với các phương pháp hiện nay, nên chúng tôi kỳ vọng rằng nó sẽ mở ra những khả năng mới trong nhiều lĩnh vực bao gồm sinh học, hóa học, nghệ thuật và khảo cổ học. “Ngoài ra, sẽ rất dễ dàng để mở rộng phương pháp của chúng tôi tới các năng lượng photon cao hơn mà các phương pháp ngày nay không thể tiếp cận được”.

Tiếp theo, họ dự định áp dụng các phương pháp mới để lập bản đồ hóa học 3D và chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp này đối với hình ảnh y tế.

Tham khảo: “Lập bản đồ nguyên tố hóa học bằng huỳnh quang ma tính toán tia x” của Yishay Klein, Or Sefi, Hila Schwartz và Sharon Shwartz, ngày 13 tháng 1 năm 2022, Optica .
DOI: 10.1364 / OPTICA.441682

Theo Scitechdaily