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X射线显微镜的发展历史

   数百年来,随着各类技术的发展以及多种前沿技术的结合,各类别的超高分辨率显微技术各显神通协同作战,人类对病毒的了解逐渐深入,病毒学的研究逐渐完善与成熟,为人类研究病毒结构、传染途径、研制药物及疫苗,最终战胜病毒创造了极为重要的条件。除了已介绍过的各类显微镜,还有一种显微镜中的“超级王者”,它的规模、它的功能绝对超乎一般人的想象,那就是基于粒子加速器技术,以高亮度X射线为光源的X射线显微镜(X-ray Microscope)。

  德国的马克斯•劳厄(Max Laue)1912年出自他的奇思妙想并用实验证明了X射线是一种波长比可见光短很多(约0.001~10纳米)的电磁波,这意味着以X射线作为显微镜的光源,有可能获得比光学显微镜更高的分辨能力。

  X射线显微镜的成像原理虽与光学显微镜类似,但直至20世纪50年代,由于没有高亮度的X射线光源、高效率的X射线成像元件以及相应的高水平探测手段,用一般X射线管作为光源的X射线显微镜,其分辨率始终无法超过光学显微镜。电子显微镜技术在20世纪60年代发展迅猛,而X射线显微镜的研制几乎处于停滞状态。

蔡司X射线显微镜

  新的发展机遇出现在1972年。美国的保罗·霍洛维茨(Paul Horowitz)和约翰·豪厄尔(John Howell)在剑桥电子加速器(CEA)上建立起第一台基于同步辐射加速器的X射线显微镜(以同步辐射光作为光源,亮度大大高于X射线管光源),这使X射线显微镜的研制重新引起了关注。与此同时,一些研制高亮度X射线显微镜所需的关键技术也有了新的进展(X射线全息术、X射线波带片等)。

蔡司X射线显微镜

  蔡司X射线显微镜示意图

  20世纪80年代,基于粒子加速器技术的发展,世界上一批发射度小、亮度高的专用同步辐射光源(称为第二代光源)陆续建成。第二代光源可提供高亮度、可调谐的单色X射线源,加之相应的X射线聚焦、准直技术,高灵敏度、高分辨率探测及成像技术的发展,X射线显微镜的研究迎来了新的发展契机。

  20世纪90年代中期,亮度更高的第三代同步辐射光源(以低发射度和采用大量插入件为特征)建成,光源亮度可达10^18-10^19。至21世纪初,基于电子直线加速器的X射线自由电子激光装置(称为第四代光源)研制成功,其峰值亮度比第三代光源还要高9个量级,为X射线光源显微技术的应用又开辟了一个崭新的时代。

  同步辐射光源及X射线自由电子激光装置所具有的高亮度、高通量、高准直度、精确可控、能量连续可调等特点,为X射线成像研究提供了更高水平的平台,使之前无法实施的许多成像研究得以实现。加上近年来相衬成像、相干衍射成像、吸收谱成像、X射线荧光成像等一系列新的X射线成像方法陆续出现,相关的应用研究如虎添翼,科学家们拥有了全新的X射线成像技术手段。依托于同步辐射光源、X射线自由电子激光装置的X射线显微镜的确可称为显微镜中的“王者”。

  高亮度X射线显微镜按X射线能量的不同可分为软X射线类或硬X射线类,按原理的不同又有透射、扫描、光谱、全息、衍射等多种类别。这类X射线显微镜的分辨率提高到5至几十纳米,可在极短时间内获得高对比度的成像(因无需对实验样本进行染色和切片,整个实验过程不破坏样本的重要生命信息)。

  蔡司X射线显微镜

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