研究室を使用したモノクロコンピュータ断層撮影

Scientific Reports volume 13、記事番号: 363 (2023) この記事を引用

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この記事では、従来の X 線管源を利用した実験室規模のヨハン型 X 線吸収分光計を使用した、高単色全視野 X 線吸収近端構造ベース断層撮影の実現可能性を実証します。 この概念実証では、元素 Se、Na\(_2\)SeO\(_3\)、および Na\(_2\)SeO\(_4\) が埋め込まれたファントムを使用することにより、次の 3 つが存在することを示します。異なる酸化状態の Se の次元分布をマッピングし、ファントム マトリックスと区別したり、吸収端コントラスト断層撮影法で相互に区別したりすることができます。 提示された方法は、低輝度 X 線源を使用して mm スケールのサンプルにおける化学種の体積分析を可能にし、生物学や化学を含む多くの分野における材料工学および研究のための新しい分析ツールとなります。

コンピューター断層撮影 (CT) は、物質の 3 次元構造を調査するために広く使用されている非破壊的な方法です。 臨床用 CT 機器と実験室規模のセットアップの大部分は、従来の X 線管で生成される多色広帯域ビームに基づいています。 これにより、イメージング目的に十分な量の光子束が生成されますが、ビームの多色性には、ビーム硬化アーティファクトやイメージング対象の化学組成に対する感度の低さなど、独自の欠点があります。 デュアルエネルギーイメージングによってある程度の化学コントラストを得ることができますが、その情報を使用して元素を原子番号に基づいてせいぜい 2 つまたは 3 つのグループに分けることができます1。 材料の特性は元素の組成と分布だけでなく、元素の化学種にも依存するため、元素感度の欠如は材料研究の観点からは重大な欠点です。

これらの制限は、シンクロトロンや X 線自由電子レーザー光源で生成されるもののような、高度に単色で調整可能な X 線ビームを使用することで克服できます。 このようなアプローチの 1 つは K エッジ サブトラクション イメージングで、これはたとえばキセノン ガス K エッジ吸収イメージングを使用して喘息発作中の肺の気道の換気をマッピングするために利用されています 2,3。

X 線ビームの光子エネルギーを \(\lesssim\) 1 eV の分解能で調整することで、異なる化学種の X 線信号を分離することもでき、それを利用してサンプル内の化学種の分布をマッピングすることもできます。 。 X 線吸収近端分光法 (XANES) として知られるこの方法は、特定の元素の化学分析、最も重要なのはその酸化状態と局所的な原子配位分析のための非破壊ツールを提供します。 これは、電池材料のナノスケールおよびメソスケールの化学組成および相転移5、6、7、触媒材料の劣化および不活性化8、9、および触媒材料の不均一性の調査など、多くの材料研究用途でトモグラフィーのコントラスト法として利用され、成功を収めています。欠陥操作による有機金属骨格結晶10． また、同様の考え方を非弾性 X 線散乱 (X 線ラマン分光法) に適用して、低 Z 元素の化学状態に関する断層撮影データを取得して、\(sp^2\) と \(sp^2\) を空間的に区別できることも実証されています。炭素材料中の \(sp^3\) 結合11.

前述の技術は、シンクロトロン光源などの高輝度でエネルギー調整可能な X 線光源を必要とするため、実験室規模での適用が制限されます。 しかし、大規模なシンクロトロンおよび X 線自由電子レーザー光源の需要が高く、ビームタイムが不足しているため、研究室規模の X 線分光分析は近年復活を遂げています。 光子出力が桁違いに低いにもかかわらず、実験室規模の機器は、多くの用途において大規模施設の実行可能な代替手段であることが証明されています12、13、14、15、16、17、18。