【摘要】：三維成像對研究生物細胞和材料的結構和功能之間的關系十分重要,而動態(tài)三維成像的實現(xiàn)更有助于了解它們工作的過程。目前,三維成像的方法主要有以下幾種:1.通過旋轉(zhuǎn)樣品測量多個角度的投影或衍射圖樣,應用插值法獲得樣品三維結構,該方法在電子顯微鏡成像、X射線斷層掃描成像等領域有廣泛的應用;2.通過激光光束聚焦測量樣品不同深度的圖像來構建三維結構的方法,這種方法廣泛應用在共聚焦顯微鏡成像中;3.最近發(fā)展的掃描相干衍射成像中用多重散射的方法獲得三維圖像;4.利用大量相同的樣本在隨機角度得到的一系列投影,通過分類、組合等,最終重建出三維圖像,該方法主要應用在冷凍電鏡和X射線自由電子激光三維成像中。以上三維成像方法,均有各自的優(yōu)點和缺點。首先,多角度投影的三維成像方法是通過旋轉(zhuǎn)樣品來獲得不同角度的投影,通常需要幾十或者幾百個投影。即使利用等斜率投影重建的三維成像,投影角度的數(shù)量得到了很大程度的減少,對于減少X射線或者電子束對樣品的輻射損傷有很大幫助,但為得到樣品完整細致的結構,仍需要一定數(shù)量的投影;在激光共聚焦三維成像中,需通過光路的調(diào)整使得激光在樣品的不同深度聚焦,形成了沿著光路方向的一系列二維圖像,將這些圖像組合在一起,才可以獲得三維圖像。在掃描相干衍射成像中,由于成像位置的重疊,得到了大量的冗余數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在多重散射的近似條件下,通過迭代算法才可以獲得三維圖像。以上幾種三維成像方法無論是需要多個角度、多個深度、還是多個位置,都必須用大量時間來采集所需數(shù)據(jù),因此也難以獲得動態(tài)的三維圖像。最近發(fā)展起來的一種以相干衍射成像為基礎的新型三維成像方法(單取向的三維相干衍射成像)為解決這一難題,實現(xiàn)細胞和材料動態(tài)三維成像提供了一種新的可能性。相干X射線衍射成像不使用透鏡,而是通過相位恢復算法利用衍射圖像重建出樣品圖像。與X射線晶體學不相同,非晶態(tài)樣品也能成像,因此可以廣泛應用于材料科學和生物科學。相干X射線衍射成像技術具有高分辨率、高襯度的優(yōu)點。由于該成像技術能夠獲得樣品的密度信息,因此可以實現(xiàn)樣品結構圖像的定量分析。此外,在相干衍射成像中,當樣品與探測器距離很近時,平面探測器上所測量的樣品相干衍射圖樣不能再視為平面,而應當投影到Ewald球面上,這樣就獲得一個傅立葉空間的三維衍射圖樣,如果衍射信息足夠多的話,應用迭代算法在三維實空間和三維傅立葉空間中進行反復的迭代運算就有可能獲得樣品的三維圖像。單取向三維相干衍射成像在軟X射線的相干衍射成像中首次得到了驗證,隨后在激光相干衍射成像中也得到了證明。但在這兩次實驗中,第一次采用的是空洞作為樣品,第二次采用薄的弱相位物體作為樣品。由于單取向的三維相干衍射成像中樣品衍射數(shù)據(jù)量相比于其他三維成像的方法數(shù)據(jù)量小很多,在重建中會遇到較大的困難。目前,單取向的三維相干衍射成像還很不成熟,利用該方法能否實現(xiàn)較厚樣品的三維成像尚未驗證。本論文主要針對單取向三維相干衍射成像中存在的若干問題開展了探索性研究。首先,為了驗證單取向三維相干衍射成像方法,我們在實驗室中根據(jù)不同需求搭建了多種激光相干衍射成像系統(tǒng)。利用該成像系統(tǒng),我們提出并實現(xiàn)了相位物體及厚樣品的單取向三維相干衍射成像,以及多色光的單取向三維成像。具體研究內(nèi)容包括了以下幾個方面的工作:主要實驗工作:1.搭建實驗光路,通過對透鏡焦距的比例進行了調(diào)整等措施,優(yōu)化光路,實現(xiàn)了 100μm大小的樣品的衍射成像,這一尺寸可以涵蓋大部分生物細胞的大小;2.采用小的晶體顆粒檢測光路,對光路凈化;實現(xiàn)了放在載玻片上硅膠小球的二維相干衍射成像;3.在100nm氮化硅薄膜上制備了雙層直徑為20μm的硅膠小球樣品,樣品的厚度為32μm,寬度為80μm,并實現(xiàn)了該樣品單一激光波長(543 nm)下的單取向三維相干衍射成像;4.在30nm氮化硅薄膜上制備/雙層硅膠小球樣品,樣品的厚度為20μm,寬度為80μm,提出并實現(xiàn)雙波長下的單方向三維相干衍射成像。主要模擬工作:1.針對單取向三維相干衍射成像特點,完成了平面圖像在Ewald球上投影的程序以及difference map程序的編寫,模擬了相位物體的二維成像;2.針對生物細胞樣品,模擬了其在不同條件下的多波長單取向三維成像,包括不同的衍射角度、衍射圖像中心光斑的數(shù)據(jù)丟失等。三維重建方法探索工作:1.單取向三維圖像重建的可靠性:由于實驗中所用的硅膠小球樣品較大,不是弱相位物體,衍射圖樣非中心對稱,因此在三維重建過程中只在一半的傅立葉空間中用了Ewald球,對大樣品和有限的數(shù)據(jù)來說,重建工作更加困難,因此我們提出在傅立葉空間中加入了扭曲校正后的高數(shù)值孔徑的衍射圖樣,從而提高了重建的收斂速度和可靠性;2.多波長的單取向三維相干衍射成像:實現(xiàn)了雙波長的單取向三維圖像的重建,由于在一半的傅里葉空間中應用了兩個Ewald球,因此比單個波長單方向相干衍射三維成像能夠獲得更多的縱向三維信息。該論文中存在的創(chuàng)新性工作如下:1.通過在氮化硅薄膜上制備雙層硅膠小球樣品,首次實現(xiàn)了厚樣品的單取向三維相干衍射成像,證明了該成像方法對厚樣品的可行性;2.為提高三維圖像重建的質(zhì)量,提出在傅立葉空間中增加橫向約束條件,即將測量的二維平面衍射圖樣扭曲矯正后作為傅里葉空間的中間層,加強圖像收斂的速度和穩(wěn)定性,提高了重建圖像的質(zhì)量;3.首次實現(xiàn)了雙波長(543nm綠光和432nm藍光)下的單取向三維相干衍射成像,設計和模擬了細胞的紅綠藍三波長的單取向三維相干衍射成像,為生物細胞和材料的三維動態(tài)成像提供了參考。綜上所述,本篇博士論文的主要工作在于探索單取向三維相干衍射成像方法的實驗條件,穩(wěn)定的重建算法,實現(xiàn)厚樣品的單取向三維成像,提高三維重建圖像的質(zhì)量,并希望能夠推進該種三維成像方法在生物細胞和材料動態(tài)成像中的應用。但是由于目前實驗室條件有限,包括CCD圖像傳感器不能實現(xiàn)能量分辨,記錄時間過長,暫時還不能實現(xiàn)三維動態(tài)成像。本論文只采用紅、綠和藍三色波長激光對生物細胞的單取向三維相干衍射成像進行了數(shù)值模擬,為傅里葉空間衍射信號的掃描提供參考,希望將來該方法能夠擴展到同步輻射X射線,以及X射線自由電子激光的成像中,進一步提高圖像空間分辨率和時間分辨率。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O436.1

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1 記者　陳t，

本文編號：2439112