利用鬼成像加速x射线荧光化学图谱测绘

近日，来自以色列巴伊兰大学研究人员开发了一种新的无聚焦技术，可以使用x射线荧光绘制化学地图。该方法提供了快速、高分辨率的测量技术，可用于分析生物医学、材料科学、考古学、艺术和工业等领域的化学成分分析。

这种新方法结合了著名的计算鬼成像技术和x射线荧光测量技术，创造了一种高分辨率和高效的方法来生成化学元素图，研究小组负责人表示，他们希望这项技术能以更高的分辨率对更大的物体进行化学测绘，同时也能测量复杂的3D物体。

在《Optica》杂志上，研究人员们描述了他们新的x射线计算鬼成像荧光技术。该方法不需要任何对焦，减少了扫描需求，大大缩短了测量时间。此外，它可以在不检测人体组织的情况下检测特定元素，这一事实可能会使新的应用成为可能，比如提高隐私性的全身安全扫描仪。

在x射线医学成像中，对于透镜不适用情况，也可以使用他们新方法，它可以通过增强组织对比度来提高医用x射线成像的质量，或用于减少获得有用图像所需的x射线剂量。 x射线荧光是通过测量样品在x射线源激发后发出的荧光来确定样品内的化学元素。用这种非破坏性分析技术获得的数据可以用来绘制化学图谱，这些化学图谱能够揭示名画中的隐藏信息，还可以用来检查关键的航空航天部件。

用x射线荧光绘制化学元素图传统上涉及到聚焦输入的x射线束，然后测量从该区域发出的荧光。通过逐点扫描样品，并记录每个点的荧光强度，构建化学图。但是，由于需要扫描，这种方法很慢。此外，测量的空间分辨率受到用于聚焦的镜头能力的限制。并且虽然更高的x射线能量可以映射较厚样品中的高密度元素及重元素，但由于标准技术的限制，实际不可能使用高剂量的X射线。

研究人员通过计算鬼成像以消除传统x射线荧光分析的一些局限性。这种非传统的成像方法的工作原理是将两束不单独携带任何有意义的物体信息的光束进行关联。其中一束编码作为参考的随机模式，当另一束与样本交互时，它从不直接探测样本。 研究人员对鬼成像方法进行了改进，使其能够用于绘制化学元素图谱。虽然鬼成像方法通常包括测量发射辐射，但这种方法测量的是样品发射的荧光。测量x射线荧光使研究人员们能够根据样品独特的发射光谱来识别每种化学元素，通过使用能够分解辐射能量的探测器，就可以识别出每种元素对被探测辐射的贡献。 鬼影成像所需要的随机模式通常是通过添加一个已知的空间调制来创建的，用于照射物体的光束强度。研究人员通过重复不同输入光束强度模式的荧光测量来实现这一目标。新的x射线计算鬼影荧光方法为每个光子能量产生两组数据，一组与输入光束的空间分布有关，另一组与发射的荧光测量有关。然后，一个计算机程序将这些数据放在一起，并覆盖所有来自不同光子能量的成像数据，从而创建一个物体的化学元素图。研究人员用他们的新方法创建了一个由铁和钴制成的物体的化学元素图谱。他们发现，与基于标准扫描的技术相比，使用压缩感知算法可以将扫描次数减少近10倍。

由于该装置简单，比传统方法的性能更好，所以研究人员们认为该方法生物学、化学、艺术和考古学等许多学科中开辟新的应用，而且，这种方法可以直接运用比传统方法更高能量的射线。接下来，研究人员们计划将这种新方法应用于3D化学制图，并证明这种方法在医学成像方面的适用性。

图：计算鬼影成像和x射线荧光测量结合的化学图谱测量