用于计算机层析X射线荧光成像的系统和方法技术方案

一种系统和方法通过以下方式使用x射线荧光分析样品：以入射x射线束照射样品，该入射x射线束具有相对于样品表面的近掠入射角，并且同时样品相对于入射x射线束具有不同的旋转取向。当样品具有不同的旋转取向时，收集样品响应于入射x射线束而产生的荧光x射线。应于入射x射线束而产生的荧光x射线。应于入射x射线束而产生的荧光x射线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于计算机层析X射线荧光成像的系统和方法
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求于2019年9月3日提交的美国临时申请No.62/895,342的优先权权益，该申请通过引用整体并入本文。


[0003]本申请总体上涉及用于X射线荧光成像的系统和方法。

技术介绍

[0004]100多年来，X射线荧光(XRF)一直是使用最广泛的化学(例如元素组成)分析技术。X射线荧光成像(XRFI)是一种强大的技术，用于以超痕量检测灵敏度对元素进行定量映射，该技术越来越多地应用于生物学问题(参见，例如，R.McRae等人，“In situ imaging of metals in cells and tissues(细胞和组织中金属的原位成像)”，Chem Rev.第109卷，第4780
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4827页(2009)；C.J.Fahrni，“Biological applications of X
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ray fluorescence microscopy:Exploring the subcellular topography and speciation of transition metals(x射线荧光显微镜的生物学应用:探索亚细胞的形貌和过渡金属的形态)”，Current Opinion in Chem.Biol.第11卷No.2，第121
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127页(2007)；T.Paunesu等人，“X
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ray fluorescence microprobe imaging in biology and medicine(生物和医学中的x射线荧光微探针成像)”J.Cell.Biochem.第99卷，第1489
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1502页(2006))。图1示意性地示出了XRF的物理原理，其中足够能量的入射x射线从原子中射出内壳电子(电离)，留下内壳核孔，该内壳核孔随后被具有更高能量的外壳轨道电子填充。电子从较高能量壳层到较低能量壳层的跃迁导致发射“特征”x射线荧光光子，其能量等于壳层能量之差(结合能)。每个元素的结合能都是独一无二的，它使得能够通过测量样品发射的x射线能量来进行多元素分析。
[0005]在过去的二十年中，由于同步加速器光源、x射线聚焦光学器件和检测器技术的新发展，具有微米分辨率的扫描x射线荧光成像(microXRFI)取得了显著进步。MicroXRFI可以提供低于百万分之几(亚ppm)的灵敏度、多种元素的同时分析、直接量化、高空间分辨率(例如，微米到30纳米)以及适应各种样品尺寸和形状的实验灵活性。MicroXRFI还可以提供在一系列灵活的操作条件(例如环境或低温)下分析潮湿、冷冻保存、固定和/或染色的样品的能力。此外，由于它是非破坏性的，microXRFI使得能够通过诸如红外和拉曼光谱/显微镜、分子质谱(如MALDI)和二次离子质谱(SIMS)之类的技术进行相关或后续分析。MicroXRFI可以具有比利用电感耦合等离子体质谱(LA
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ICP
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MS)的激光烧蚀更高的空间分辨率，并且具有比基于电子的技术低几个数量级(更好)的检测灵敏度和更低的辐射剂量。
[0006]microXRFI的优势推动了专用同步加速器光束线的发展，并激发了许多基于同步加速器的生物医学研究。此类研究的结果提供了在5微米或更小的空间分辨率下对总(游离和结合的)金属离子(后者对大多数组织学染色不可见)的可视化。然而，基于同步加速器的成像受到可访问性和可运行的样品数量有限的限制。这种同步加速器光束线的使用权的竞争非常激烈，因为由于成本高昂(例如，每个同步加速器设施的成本可能高达10亿美元，而
每条光束线的成本可能超过1000万美元)，世界上只有有限数量的带有x射线荧光光束线的同步加速器。此外，生物应用经常与其他备受瞩目的研究学科竞争这种使用权，包括国防、先进材料、半导体、电池/能源以及石油和天然气研究，甚至导致一些非常优秀的项目被拒绝。即使获准，光束时间通常被限制为一周或几天，这限制了在可用时间和/或更改测量协议的时间内可以分析的样品数量，例如改进样品制备或样品选择。还有其他挑战，包括前往同步加速器的物流和相关联的成本。

技术实现思路

[0007]本文描述的某些实现方式提供了一种使用x射线荧光分析样本的方法。该方法包括在样品具有相对于入射x射线束的第一旋转取向时以入射x射线束照射样品。入射x射线束具有相对于样品表面的近掠入射角。该方法还包括在样品具有第一旋转取向时收集样品响应于入射x射线束而产生的荧光x射线。该方法还包括围绕基本上垂直于表面的方向旋转样品，以使得样品具有相对于入射x射线束的第二旋转取向。第二旋转取向与第一旋转取向相差一旋转角度。该方法还包括在样品具有第二旋转取向时以入射x射线束照射样品。该方法还包括在样品具有第二旋转取向时收集样品响应于入射x射线束而产生的荧光x射线。
[0008]本文描述的某些实现方式提供了一种用于样品的x射线荧光分析的系统。该系统包括配置为产生x射线的x射线源和配置为接收来自x射线源的x射线并将至少一些接收到的x射线作为x射线引导以照射样品的x射线光学子系统。x射线束具有相对于样品表面的近掠入射角。该系统还包括样品台，其被配置为支撑样品并在平行于表面的平面中移动样品并围绕垂直于表面的方向旋转样品。该系统还包括至少一个能量鉴别检测器，该检测器被配置为测量响应于入射x射线束而从表面发射的至少一些荧光x射线。
附图说明
[0009]图1示意性地示出了x射线荧光(XRF)的物理原理。
[0010]图2示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的示例系统。
[0011]图3A示意性地示出了用于样本的常规同步加速器和实验室microXRFI系统的示例配置。
[0012]图3B示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的系统的示例配置，具有与图3A相同的样本。
[0013]图4A和4B是根据本文描述的某些实现方式的用于数据收集的示例方法的两个流程图。
[0014]图4C示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的图4B的利用具有二维光栅扫描的数据收集方案的示例方法的方面。
[0015]图5示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的沿x射线束路径的总累积x射线荧光信号。
[0016]图6A示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的数据采集的“逐步扫描”模式的两个示例。
[0017]图6B示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的数据采集的“飞行扫描”模式的两个示例。
[0018]图6C示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的数据采集的“横穿和旋转扫描”模式的两个示例。
[0019]图7示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的示例模型样本的侧视图和俯视图。
具体实施方式
[0020]概述
[0021]常规XRFI系统和方法的数据采集存在两个主要缺点。在第一个这样的缺点中，这种常本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使用x射线荧光分析样品的方法，所述方法包括：在样品具有相对于入射x射线束的第一旋转取向时，以所述入射x射线束照射所述样品，所述入射x射线束具有相对于所述样品的表面的近掠入射角；在所述样品具有所述第一旋转取向时，收集所述样品响应于所述入射x射线束而产生的荧光x射线；围绕与所述表面基本垂直的方向旋转所述样品，以使得所述样品具有相对于所述入射x射线束的第二旋转取向，所述第二旋转取向与所述第一旋转取向相差一旋转角度；在所述样品具有所述第二旋转取向时，以所述入射x射线束照射所述样品；和在所述样品具有所述第二旋转取向时，收集所述样品响应于所述入射x射线束而产生的荧光x射线。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述近掠入射角相对于所述表面在1度至15度的范围内。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述近掠入射角大于所述样品的临界角。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述入射x射线束在所述样品处被聚焦，使得光斑尺寸在至少一个基本平行于所述表面的方向上小于或等于50微米。5.根据权利要求1所述的方法，还包括对在所述样品具有所述第一旋转取向时收集的荧光x射线进行能量解析，以及对在所述样品具有所述第二旋转取向时收集的荧光x射线进行能量解析。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述旋转角度在0.5*sin(θ)和sin(θ)之间的范围内，其中θ是所述近掠入射角。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：围绕基本垂直于所述表面的所述方向旋转所述样品，以使得所述样品具有相对于所述入射x射线束的多个顺序旋转取向，所述顺序旋转取向彼此相差所述旋转角度；和在所述样品具有所述顺序旋转取向中的每一者时，以所述入射x射线束照射所述样品并收集所述样品响应于所述入射x射线束而产生的荧光x射线。8.根据权利要求7所述的方法，还包括对在所述样品具有所述顺序旋转取向中的每一者时收集的荧光x射线进行能量解析。9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述顺序旋转取向包括至少三个旋转取向。10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述顺序旋转取向具有所述样品的至少180度的总和旋转。11.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述样品具有所述第一旋转取向时照射所述样品包括在第一多个位置处照射所述样品，并且在所述样品具有所述第二旋转取向时照射所述样品包括在第二多个位置处照射所述样品。12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述第一多个位置处照射所述样品包括在基本上平行于所述表面的平面中在两个方向上以连续的一系列步骤移动所述样品，以使得在所述样品具有所述第一旋转取向时所述入射x射线束撞击所述第一多个位置中的每个位置，并且在所述第二多个位置处照射所述样品包括在基本平行于所述表面的平面中在两个方向上以连续的一系列步骤移动所述样品，以使得在所述样品具有所述第二旋转取向时所述入射x射线束...

【专利技术属性】
技术研发人员：云文兵，西尔维娅，
申请(专利权)人：斯格瑞公司，
类型：发明
国别省市：