用于计算机层析X射线荧光成像的系统和方法与流程

用于计算机层析x射线荧光成像的系统和方法
1.优先权声明
2.本技术要求于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。
技术领域
3.本技术总体上涉及用于x射线荧光成像的系统和方法。


背景技术：

4.100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
–
4827页(2009)；c.j.fahrni，“biological applications of x-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
–
127页(2007)；t.paunesu等人，“x-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1489-1502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。
5.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-icp-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。
6.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。


技术实现要素：

7.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。
8.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
9.图1示意性地示出了x射线荧光(xrf)的物理原理。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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
20.概述
21.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，这种常规的xrfi系统和方法浪费了聚焦的x射线束通量，因为在样品表面以下深处产生的荧光x射线在从生产点传播到表面时被衰减。这种衰减对于低能荧光x射线尤其成问题，导致产生可检测荧光x射线的效率低。例如，具有足以产生k线第一行过渡金属的能量的入射x射线在生物样品中具有大穿透深度，并且由于衰减，从厚生物样品内部的低z元素产生的荧光x射线只有一小部分传播到待检测的表面。此外，即使通过使用具有出色聚焦特性的微焦点x射线源和x射线光学器件来最大化横向分辨率，深度分辨率仍然非常粗糙。此外，由不同元素产生的特征荧光x射线具有不同的能量，因此，对于厚样品，产生较高能量荧光x射线的元素可能会在检测到的光谱中过度表示，因为这种较高能量的荧光x射线具有更高的逃离样品表面的概率，即使在样品内深处产生时。因此，很难使用常规的xrfi系统和方法对样品进行定量准确的了解。
22.为了补偿这种衰减的影响，在常规的xrfi系统和方法中已经使用了薄的样品切片(例如，几十微米)。使用这些薄切片也有利于相关显微镜与其他技术，例如用于结构信息的光学显微镜。然而，在这种薄切片中对x射线的吸收非常低，因此大部分入射x射线都被浪费了。例如，对于能量约为8kev的入射x射线(例如，由cu x射线靶产生的x射线)，其可用于产生fe k-层特征荧光x射线，在常规的microxrfi配置中，只有大约4％的入射x射线被40微米厚的水合脑切片样品吸收，而大约96％的入射x射线穿过样品并被浪费掉。虽然这种吞吐量损失对于同步加速器光源处可用的高x射线通量是可以接受的，但在使用实验室x射线源时这种损失是成问题的。
23.在常规xrfi系统和方法的第二个缺点中，荧光x射线的收集立体角由于机械干扰而受到限制。荧光x射线由样品各向同性地发射。为了有效地检测荧光x射线，需要将能量色散检测器放置在尽可能靠近样品的位置。然而，在常规的xrfi系统和方法中，检测器到样品的最小距离受到检测器与保持样品的载物台的物理干扰以及检测器与入射x射线束的物理干扰的严重约束。例如，虽然检测器的最佳位置应靠近并平行于样品表面以最大化收集的立体角，但检测器的这种位置会干扰入射x射线束到样品的视线。因此，在常规的xrfi系统和方法中，检测器远离样品，导致荧光x射线的检测强度降低。
24.示例实现方式
25.本文描述的某些实现方式提供了基于实验室的计算机层析x射线荧光成像(cl-xrfi)系统和/或方法，用于分析各种类型的样品(例如，具有感兴趣的薄膜或掺杂剂的半导体样品；薄地质样品；生物样品，例如组织的薄切片)。仅举一个示例，本文描述的某些实现方式被配置为通过提供与基于同步加速器的microxrf相当的属性(例如，速度、定量特性和灵敏度)以及la-icp-ms的可用性，加快阿尔茨海默病(ad)和其他神经退行性疾病的有前景
的铁死亡抑制疗法的开发和合理设计。由于基于实验室的x射线源的低亮度、x射线光学器件的低效率和/或低xrf数据收集方法，其他基于实验室的microxrfi系统在高灵敏度下遇到吞吐量瓶颈。与其他具有亚ppm(相对)和亚飞克(绝对)检测灵敏度的基于实验室的microxrfi系统和类似同步加速器的灵敏度(例如分辨率优于或等于8微米)相比，本文描述的某些实现方式有利地提供超过两个数量级的吞吐量改进(例如，通过大于或等于100的因子)。在其他示例中，可以分析地质样品(例如岩石切片)以获取与地质学、石油和天然气勘探、古生物学和/或法医学相关的信息；可以分析基于植物的样品(例如木材、纸张、种子等)的切片，以获取与生态学、农业、林业和/或考古学相关的信息；可以分析建筑材料样品(例如混凝土、涂料、油漆)以获取与腐蚀、分层和/或失效分析相关的信息；可以分析其他生物样品(例如，骨骼、牙齿、其他钙化组织、细胞培养物；其他湿生物组织的切片)以获取与生物学、医学、食品科学、营养学、病理学等方面的毒理学、生物学、环境研究相关的信息。
26.本文描述的某些实现方式提供：(i)更快的采集时间(例如，分别以60微米和30微米分辨率以2ppm检测灵敏度对fe和多种其他元素进行2d成像的8分钟和32分钟采集时间)和/或(ii)以最少的样品制备进行无损分析(例如，使得能够使用其他技术进行相关分析，包括为光学显微镜准备的薄切片，以将定量金属分布信息与细胞结构信息联系起来)。某些实现方式可以有利地用于ad研究和药物开发(例如，在各个时间点在临床前ad模型中对fe进行成像和量化，从而能够对潜在药物的功效进行反馈)。
27.测量几何结构
28.本文描述的某些实现方式通过以下方式提供了优于使用大入射角(例如，垂直入射)的常规xrf扫描系统和方法的优势：(i)有效地使用入射x射线束来激发来自样品近表面层的xrf和(ii)使x射线检测器靠近样品以提供大的检测立体角。本文描述的某些实现方式使用层析数据收集和重建方法来获得在与被分析对象(例如，样品)的表面基本上平行的方向上的激发x射线束尺寸相当的空间分辨率。
29.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100。图2的示例系统100是基于实验室的计算机层析xrfi(cl-xrfi)系统，其包括高效x射线源110，该高效x射线源110包括电子源112和在导热衬底116上的微结构化阳极靶114，以及x射线光学子系统120，该x射线光学子系统120包括一对双抛物面x射线光学器件122，其配置为接收来自x射线源110的x射线118并以低入射角几何形状(例如，3度的掠射角)将至少一些x射线聚焦成至少一个聚焦x射线束124到样品台132上的样品130上(例如，小于或等于800微米厚)，并且至少一个x射线检测器140被配置为接收和检测响应于来自x射线光学子系统120的入射聚焦x射线束124从样品130发射的荧光x射线中的至少一些。样品台132被配置为在x-y平面(例如，平行于样品表面)中移动正在分析的样品130并且绕z轴(例如，垂直于样品表面并且可以与入射x射线束124照射的样品130上的点重合)旋转样品以进行层析成像采集。本文描述的某些实现方式被配置为以小于或等于1ppm的浓度对样品中的痕量元素(例如，fe)进行成像，空间分辨率小于或等于60微米，信噪比大于或等于3，每个样品的总数据采集时间小于或等于40分钟。
30.在某些实现方式中，x射线源110的微结构化阳极靶114包括与导热衬底116(例如金刚石)热连通的一个或多个含金属结构115(例如微米级金属结构)。例如，x射线源110可以包括至少一个结构115，该结构115具有至少一种材料(例如，cu；sic；mgcl；al；rh；mo)，位
于或嵌入导热衬底116(例如，金刚石)中。例如，虽然图2示意性地示出了阳极靶114，其中多个结构115嵌入衬底116的表面内，某些其他实现方式的阳极靶114可以包括导热衬底116，在衬底116上具有多个导热支柱(例如金刚石)，并且具有附着到其上(例如，涂覆在其上)的至少一种材料。至少一个结构115的至少一种材料被配置为在被来自电子源112的电子轰击时发射具有超高源亮度的x射线，从x射线源110发射的x射线穿过至少一个窗口113。例如，x射线源110的结构115可以包括多个靶材，这些靶材被配置为响应于电子轰击而产生x射线，所产生的靶材的x射线具有相应的光谱特性。至少一个结构115的至少一种材料被配置为发射能量高于正被分析的样品130的一条或多条特征x射线荧光线的x射线。例如，x射线源110可具有100w的总功率，有效x射线源光斑尺寸为30微米乘以30微米(例如，利用在结构115(例如，微米尺寸的cu结构)上的300微米乘以30微米的电子束足迹尺寸和相对于衬底116(例如，包括金刚石)的10度的x射线束射出角获得的)。
31.某些实现方式的x射线源110提供各种优点，包括但不限于：(i)结合金刚石衬底116的热特性以增加阳极靶114的平均热导率，(ii)利用来自电子源112的电子能量沉积速率对结构115的质量密度的依赖性来产生有利的能量沉积轮廓，(iii)在金属结构115和周围的金刚石衬底116之间创建大的热梯度以产生增强的散热，以及(iv)沿与结构115对齐的x射线束轴的x射线118的高效累积。某些实现方式的所得亮度显著高于常规微焦点x射线源的亮度。此外，可以选择阳极靶114的结构115的材料，以为待分析的一种或多种元素提供预定的(例如，优化的)荧光截面。例如，cu可用于结构115以提供最适合激发fe荧光的8.05kev的强kα线x射线。这种入射x射线可以实现比其他系统高约100倍的计数率，并且可以实现10微米焦点的半导体亚原子层厚度测量。与本文描述的某些实现方式兼容的x射线源110的示例由美国专利第9,874,531、9,823,203、9,719,947、9,594,036、9,570,265、9,543,109、9,449,781、9,448,190和9,390,881号公开，其中每一者都通过引用整体并入本文。
32.在某些实现方式中，x射线光学子系统120被配置为将来自x射线源110的x射线118中的至少一些聚焦成聚焦x射线束124并且引导聚焦x射线束124以低x射线束入射角照射样品130。x射线光学子系统120可以具有大的工作距离(例如，光学出射点和样品130之间的距离大于或等于15毫米、大于或等于30毫米、大于或等于40毫米)和小的点扩散函数(psf)(例如，小于或等于20微米)，从而产生狭窄的铅笔状x射线束。
33.常规的基于实验室的x射线微束系统依赖于多毛细管光学器件(例如，空心玻璃毛细管的锥形束)，其对于小焦点具有不适合在本文描述的某些实现方式中使用的短工作距离(例如，由于要使用的受约束几何体)。此外，这种多毛细管光学器件的“焦点”不是真正的焦斑，而是出射光束具有最小直径的空间中的点(例如，尺寸大约等于2*θc*l，其中θc是临界角，l是工作距离或多毛细管出口与“焦点”之间的距离)。例如，对于8kev x射线，具有30微米焦点的多毛细管光学器件的工作距离仅为约3毫米。
34.在某些实现方式中，x射线光学子系统120包括至少一个具有二次曲面内表面轮廓的x射线反射光学器件。例如，如图2示意性所示，x射线光学子系统120包括一对双抛物面x射线光学器件122。在某些实现方式中，一对双抛物面x射线光学器件122包括第一抛物面镜122，该第一抛物面镜122被定位和对齐以收集和准直来自x射线源110的x射线118中的至少一些，以及第二抛物面镜122，被配置为将来自第一抛物面镜122的准直x射线中的至少一些聚焦到聚焦x射线束124中并引导聚焦x射线束124以照亮样品130。在某些实现方式中，两个
抛物面镜122中的每一个是轴对称的，而在某些其他实现中，两个抛物面镜122中的至少一个不是轴对称的。
35.某些实现方式的两个抛物面镜122是真正的成像光学器件，并且聚焦x射线束124的焦斑与x射线能量无关(例如，来自两个抛物面镜122的两个反射相互补偿)。对小光斑尺寸而言，距某些实现方式的两个抛物面x射线镜122的工作距离非常大(例如，大于或等于15毫米；大于或等于30毫米；大于或等于40毫米)，并且可以提供可用于低入射角x射线成像的铅笔状x射线束。在某些实现方式中，抛物面镜122具有小于5微弧度的斜率误差和埃数量级的表面粗糙度。在某些实现方式中，x射线光学子系统具有分辨率限制，其中在样品130处(例如，入射到其上)的焦点(例如，在样品130中或样品130上的焦点)基本上呈椭圆形，其在至少一个基本平行于样品表面的方向上的较长尺寸小于或等于50微米(例如，在10微米到30微米的范围内；在5微米到10微米的范围内；在小于5微米的范围内；在小于1微米的范围内)。例如，某些实现方式的x射线光学子系统可以生成小于或等于600纳米的fwhm光斑尺寸，这可以使用分辨率目标标准解析400纳米线和空间。
36.在某些实现方式中，第一抛物面镜122包括至少一个第一衬底和在至少一个第一衬底上的至少一个第一层(例如，深度分级多层涂层；高z材料涂层)，并且第一抛物面镜122被配置为有效地收集和准直从x射线源110发射的x射线118中的至少一些，经收集和准直的x射线具有由至少一个第一层反射的特定x射线能量。第二抛物面镜122还包括至少一个第二衬底和在至少一个第二衬底上的至少一个第二层(例如，深度分级多层涂层；高z材料涂层)，并且第二抛物面镜122被配置为有效地收集和聚焦从第一抛物面镜122反射的x射线中的至少一些，经收集和聚焦的x射线具有由至少一个第二层反射的特定x射线能量。在某些实现方式中，至少一个第一衬底和至少一个第二衬底是整体或单片衬底(例如，圆柱形玻璃毛细管)的部分，而在某些其他实现中，至少一个第一衬底和至少一个第二衬底彼此分开。
37.例如，两个抛物面镜122的总长度可以在20毫米到500毫米的范围内(例如，120毫米)，并且每个镜122可以具有30纳米厚的铂涂层，第一抛物面镜122可以具有28毫弧度的收集锥角，x射线光学子系统120的工作距离可以足够长(例如，40毫米)以实现低入射角几何形状，并且x射线光学子系统120可以具有小于或等于5微米的点扩散函数(psf)(例如，使得能够在样品130处聚焦到20微米到60微米范围内的x射线光斑大小，取决于来自x射线源110的表观光斑大小)。例如，60微米的聚焦光斑尺寸可用于对具有1.5厘米线性尺寸的整个大鼠脑样品130的更粗分辨率成像，并且20微米的聚焦光斑尺寸可用于样品130的选定区域的更精细分辨率成像。与本文描述的某些实现方式兼容的示例抛物面镜122由美国专利申请公开第2019/0369272号和第2020/0072770号公开，每一者都以引用的方式整体并入本文。
38.尽管图2未示出，某些实现方式的x射线光学子系统120包括位于两个抛物面镜122之一或两者的纵轴上的光束挡板(例如，在镜122之一的上游端处或附近；在镜122之一的下游端处或附近；镜122之一或两者的上游；镜122之一或两者的下游)。光束挡板可被配置为防止未被x射线光学系统120反射的x射线撞击样品130。与本文描述的某些实施例兼容的示例光束挡板由美国专利第9,874,531、9,823,203、9,719,947、9,594,036、9,570,265、9,543,109、9,449,781、9,448,190和9,390,881号公开，其中每一者都通过引用整体并入本文。
39.在某些实现方式中，样品台132被配置为保持样品130，以使得样品130被定位为接
收聚焦x射线束124的至少一部分，并且至少一个x射线检测器140被配置为接收来自样品130的荧光x射线(例如，定位在x射线光学子系统120的下游和至少一个x射线检测器140的上游)。在某些实现方式中，样品台132被配置为在x-y平面(例如，平行于样品表面)中移动被分析的样品130并围绕z轴(例如，垂直于样品表面，并且可以与入射x射线束124照射的样品130上的点重合)旋转样品130，如本文更全面地描述的。例如，样品台132可以包括在两个正交方向的每一个上具有100毫米或更大行程范围的x-y平移电动子台和具有至少90度、至少180度或360度或更大的旋转范围的旋转电动子台(例如，在x-y平移电动子台的顶部)。在某些实现方式中，样品台132可以包括被配置为改变样品130被入射x射线束124撞击的角度(例如，入射角)的测角仪系统(例如，theta-2-theta台)。例如，测角仪系统可以被配置为在从垂直入射(例如，90度)到近掠(near-grazing)入射的范围内改变角度，并且可以被配置为相对于样品130以不同的入射角移动x射线源110和至少一个检测器140两者。美国专利第9,719,947；9,874,531；10,349,908：10,352,880号中公开了与本文描述的某些实现方式兼容的台132的示例(结合不同于本文描述的那些系统的其他系统)，其中每一者都通过引用整体并入本文。
40.在某些实现方式中，至少一个x射线检测器140被配置为检测和测量从样品130发射的x射线荧光的至少一部分。例如，至少一个x射线检测器140可以包括能量色散检测器，其被配置为检测从样品130发射的荧光x射线并区分具有不同能量的x射线(例如，生成指示样品130的元素分布的图像)。例如，至少一个x射线检测器140可以包括以下各项中的一项或多项：硅漂移检测器(sdd)(例如，具有50平方毫米的有效面积)、x射线波长色散光谱仪、光子计数检测器、针二极管检波器。与本文描述的某些实施例兼容的x射线检测器140的示例由美国专利第9,874,531、9,823,203、9,719,947、9,594,036、9,570,265、9,543,109、9,449,781、9,448,190和9,390,881号公开，其中每一者都通过引用整体并入本文。
41.图3a示意性地示出了用于生物样品(例如，脑样品的薄切片)的常规同步加速器和实验室microxrfi系统的示例配置。这种常规系统通常具有以大入射角(例如，相对于样本或样品表面在45至90度范围内的入射角θ)撞击样本的入射聚焦x射线束。例如，如图3a所示，入射的聚焦x射线束基本上垂直于样本表面入射。如此大的入射x射线束角度旨在使样品表面上的x射线束焦点的大小接近或等于x射线束的截面。对于在由入射光束和样品表面法线定义的散射平面中等于90度的入射角θ(如图3a所示)，焦斑尺寸等于聚焦x射线束的截面，并且对于45度到90度范围内的入射角，焦斑尺寸接近x射线束截面。常规系统不使用小入射角，因为这样的入射角会“拉伸”样本表面上的焦斑尺寸(例如，按照1/sinθ的因子)，从而降低系统的空间分辨率。
42.由于生物样品的低原子序数(低z)矩阵，x射线在此类生物样品中具有大的穿透深度。这种大的穿透深度会对系统的空间分辨率产生不利影响，因为即使当通过使用微焦点x射线源和具有出色聚焦特性的x射线光学器件使横向分辨率最大化时，深度分辨率仍然非常粗糙。此外，由不同原子元素产生的特征荧光x射线具有不同的能量，因此，对于厚样品，产生较高能量荧光x射线的原子元素被过度表示，因为它们的x射线具有足够的能量以逃离样品，即使在样品内深处产生荧光x射线时也是如此。因此，很难对样品进行定量准确的理解。
43.如本文所述，薄的(例如，几十微米)样品切片可用于补偿大的穿透深度。例如，在
图3a的常规系统中，薄的(例如，50微米厚)样品可以被入射聚焦x射线束照射。然而，由于这种薄切片对入射x射线的吸收低，大部分入射的聚焦x射线束通量透过样品并且对测量没有贡献，导致产生荧光x射线效率低。
44.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100的示例配置，具有与图3a相同的生物样品130(例如，脑样品的薄切片)。入射聚焦x射线束124以相对于样品表面近掠入射角撞击样品(例如，被分析的样品)130。例如，近掠入射角可以是相对于样品表面的小入射角θ(例如，在1度到15度的范围内；在2度到4度的范围内；在4度到7度的范围内；在7度到14度的范围内；在小于5度的范围内)。在某些这样的实现方式中，近掠入射角高于样品130的临界角(例如，在入射x射线束124从样品表面全外反射的入射角范围内)。与使用大入射x射线束角的配置(例如，在图3a中)相比，样品表面上x射线束124的焦斑大小明显大于在基本上垂直于x射线束124的传播方向的平面中x射线束124的截面(例如，按照1/sinθ的因子)。然而，由于x射线束124通过样品130的路径长度较长(例如，与90度的入射角相比，3度的入射角约为20x)，x射线束124的较大部分的入射x射线被样品130吸收并且因此可以有助于在样品130内产生荧光x射线。因此，由于聚焦x射线束124的路径长度明显更长，本文描述的某些实现方式有利地提供了使用近掠入射角对入射聚焦x射线124的更有效使用。
45.图2和图3b示意性地示出的示例系统100提供了优于图3a示意性示出的常规系统的另一个优点。如本文所述，荧光x射线由样品各向同性地发射，并且由于常规xrfi系统和方法中的机械干扰而产生的约束限制了检测器到样品的最小距离(参见例如图3a的常规系统)和从样品发射的荧光x射线的固体收集角。
46.与这种常规的xrfi系统和方法相比，本文描述的某些实现方式有利地提供明显更大的收集立体角，同时使检测器140的有源元件更靠近(例如，大约3x)并且基本上平行于样品130的表面，如图3b所示。在图3b示意性示出的配置中，入射x射线束124撞击样品130的第一表面，并且至少一个x射线检测器140的有源元件(例如，硅漂移检测器)定位成与样品130基本平行以接收以大(例如，最大)立体角(例如，在大于0.5球面度的范围内；在0.5球面度到2球面度的范围内)从第一表面发射的x射线荧光(例如，由至少一个x射线检测器60从第一表面的相同照射部分和/或从第一表面的不同部分接收)。结果，由于物理干扰问题的缓和，由检测器140和样品130之间的这种较小距离产生的检测到的xrf信号高于常规系统。
47.在某些实现方式中，系统100有利地利用以近掠入射角(例如，3度)入射到样品130的聚焦x射线束124(例如，铅笔束)来提供(i)样品130对聚焦x射线束124的有效吸收以有效地产生x射线荧光信号(例如，指示样品130内的fe)和/或(ii)通过将检测器140靠近样品表面放置增加(例如，最大化)的x射线荧光的检测的立体角，因为与常规系统相比减少了物理干扰。
48.在某些实现方式中，近掠入射角几何结构有利地提供入射x射线的有效使用。在本文描述的某些实现方式中，对于较小入射角(例如，θ＝3度或接近掠射入射)，薄样品切片内部的x射线束路径长度可以比对于较大入射角(例如，θ＝90度或垂直入射)长20倍。例如，对于厚度为40微米的脑样品，在θ＝3度的样品内部的x射线束路径长度等于800微米。对于8kev入射x射线束124，水合脑组织中的x射线线性衰减长度约为1200微米。因此，使用3度入射角在脑薄切片中产生的fe荧光x射线比90度入射角大高达20倍，比45度入射角大高达14倍。
49.在某些实现方式中，由于被配置为检测荧光x射线的检测器(例如，硅漂移检测器或sdd)的检测立体角增加，近掠入射角几何结构有利地提供了吞吐量的显著改进。例如，通过将检测器从常规配置(参见图3a)移动到样品130正上方的位置(参见例如图3b)，检测器140的中心检测元件(例如像素)和样品130处的聚焦x射线束124之间的最小距离为可以减少3倍，从而导致荧光收集增加约9倍(因为立体角与距离的平方反比成比例)。
50.在某些实现方式中，样品130内的入射x射线的增加的光束路径长度与检测器140的增加的检测立体角的组合导致吞吐量增加约180x。此外，近掠入射角几何结构可以有利地提供更准确的痕量元素量化(例如，fe)，因为薄样品中荧光x射线的衰减可以忽略不计。在某些实现方式中，估计使用常规系统(例如，基于荧光计数)将花费大约24小时的扫描可以有利地使用本文描述的某些实现方式减少到8分钟。在某些实现方式中，由于荧光x射线的短路径长度和低吸收，可以单独或与铁一起更好地量化低z元素(例如生物学上重要的元素磷和硫)的量。这种改进的量化不仅适用于薄样品切片，也适用于厚块样品。
51.数据采集
52.在某些实现方式中，示例系统100的检测器系统140被配置为结合本文描述的几何配置使用数据采集和图像重建方法(例如，如图2和3b所示)。该方法用于x射线荧光，类似于用于平面样品的3d x射线吸收成像的计算机层析成像(cl)，并且是计算机断层扫描(ct)的改进方法，通常更适合圆柱形样品(例如，岩芯、人体等)。如本文更全面地描述的，近掠入射角几何结构(参见图2和图3b)可以与数据采集和图像重建方法相结合，以提供用于薄样品切片的高微米级3d分辨率。
53.在某些实现方式中，该方法包括相对于入射x射线束以多次旋转扫描(例如，光栅扫描)样品并检测荧光x射线，并且还包括分析(例如，重建)对应于检测到的荧光x射线的所得数据。在某些实现方式中，该方法有利地在散射平面中提供高空间分辨率，否则该空间分辨率将由于入射x射线束在近掠入射角处的伸长而降低，从而解耦近掠入射角对分辨率的约束。
54.图4a和4b是根据本文描述的某些实现方式的用于使用x射线荧光分析样品的两个示例方法200、300的两个流程图。图4b的方法300可以被认为是图4a的方法200的特定示例。图4c示意性地示出了根据本文描述的某些实现方式的利用具有2d光栅扫描的数据收集方案的示例方法200、300的方面。为清楚起见，检测器140未在图4c中示出。根据本文描述的某些实现方式，示例方法200可用于使用cl-xrfi系统收集完整数据集。
55.如图4a所示，在操作块210中，方法200包括在样品130具有相对于入射x射线束124的第一旋转取向时以入射x射线束124照射样品130。入射x射线束124具有相对于样品130的表面的近掠入射角。在操作块220中，方法200进一步包括在样品130具有第一旋转取向时收集样品130响应于入射x射线束124而产生的荧光x射线。在操作块230中，方法200还包括围绕基本上垂直于表面的方向旋转样品130，以使得样品130具有相对于入射x射线束124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。在操作块240中，方法200还包括在样品130具有第二旋转取向时以入射x射线束124照射样品130。在操作块250中，方法200还包括在样品130具有第二旋转取向时收集样品130响应于入射x射线束124而产生的荧光x射线。
56.在某些实现方式中，方法200还包括围绕基本垂直于表面的方向旋转样品130，以
使得样品130具有相对于入射x射线束124的多个顺序旋转取向，顺序旋转取向彼此相差旋转角度，并且在样品130具有顺序旋转取向中的每个时，以入射x射线束124照射样品130并收集样品130响应于入射x射线束124而产生的荧光x射线。在某些这样的实现方式中，顺序旋转取向包括至少三个旋转取向和/或顺序旋转取向具有样品130的至少90度(例如，至少180度)的总和旋转。
57.在某些实现方式中，方法200包括多次执行操作块210-250以在样品130相对于入射x射线束124具有多个旋转取向时从样品130的第一位置收集荧光x射线。某些实现方式的方法200可以进一步包括，在第一位置多次执行操作块210-250之后，移动(例如，横向地)样品130，以使得入射x射线束124撞击样品130的第二位置，当入射x射线束124撞击第二位置时，再次多次执行操作块210-250。在某些实现方式中，样品130的移动可以作为在基本上平行于样品130的表面的平面中在两个方向上的连续系列步骤来执行(例如，在x-y平面中对样品130执行二维光栅扫描)。
58.如图4b所示，在操作块310中，方法300包括在样品130具有相对于入射x射线束124的第一旋转取向时在第一多个位置处用入射x射线束124照射样品130。如图4c的顶部面板示意性地示出地，入射x射线束124以近掠入射角θ(例如，θ＝相对于样品130的表面3度)撞击样品130并沿x方向传播。由于近掠入射角，入射x射线束124照射样品130的具有沿x方向伸长(例如拉伸)因子1/sin(θ)的足迹(例如，对应于样品130处的入射x射线束124的焦斑)的区域(例如，被入射x射线束124照射的区域具有宽度d和长度d/sin(θ))。如图4c的左下面板示意性地示出地，这些伸长区域由其长维度(例如，长度)沿x方向对齐的矩形表示。由入射x射线束124照射的区域的伸长可以将沿方向的扫描点的数量减少sin(θ)。
59.在某些实现方式中，通过以下方式使第一多个位置被入射x射线束124照射：在样品130相对于入射x射线束124处于第一旋转取向时，在基本上平行于样品130的表面的平面中在两个方向上以连续的一系列步骤移动(例如，横向地)样品130(例如，在x-y平面中对样品130执行二维光栅扫描)。这样，样品130可以被移动使得入射x射线束124撞击第一多个位置中的每个位置。
60.图4c的顶部面板示意性地示出了入射x射线束124和样品130在相对于彼此的第n个扫描位置(例如，使得入射x射线束124照射第一多个位置中的第n个位置)并且在相对于彼此的第(n 1)个扫描位置(例如，使得入射x射线束124照射第一多个位置的第(n 1)个位置)的侧视图(例如，沿y方向的视图)。在某些实现方式中，选择x方向和/或y方向上的步长，使得照射的伸长区域彼此接壤(例如，如图4c的顶部面板中示意性示出的)，而在某些其他实现方式中，选择x方向和/或y方向上的步长，使得照射的伸长区域彼此重叠预定量。图4c的左下面板示意性地示出了样品130的俯视图(例如，沿着垂直于样品表面的z方向)，其中每个矩形区域表示在第一多个位置处被入射x射线束124照射的对应伸长区域。
61.在操作块320中，方法300进一步包括检测来自第一多个位置的荧光x射线，该荧光x射线响应于样品130在第一多个位置处由入射x射线束124的照射而产生。例如，检测器140可被配置为记录fe荧光x射线作为样品130相对于入射x射线束124的位置的函数。检测到的来自第一多个位置中的单个位置的荧光x射线对应于单个数据点。在某些实现方式中，荧光x射线由如图3b示意性所示定位的检测器140检测。
62.在操作块330中，方法300进一步包括，在操作块310中在第一多个位置处照射样品
130并在操作块320中检测来自第一多个位置的荧光x射线之后，使样品130围绕基本上垂直于样品130表面的方向(例如，围绕z方向)旋转，使得样品具有相对于入射x射线束124的第二旋转取向，该第二旋转取向与第一旋转取向相差角度δω。例如，角度δω可以近似等于入射x射线束124的束宽d与入射x射线束124的束长d/sin(θ)之比的二分之一(例如，δω＝d/(2d/sin(θ))＝sin(θ/2))。
63.在操作块340中，方法300进一步包括，在操作块330中旋转样品130之后，在样品130具有相对于入射x射线束124的第二旋转取向时，在第二多个位置处用入射x射线束124照射样品130。在某些实现方式中，第二多个位置与第一多个位置相同，但是当样品130位于不同的旋转角度时，用入射x射线束124照射位置。在第二多个位置的每个位置处，入射x射线束124再次照射样品130的具有足迹(例如，对应于入射x射线束124在样品130处的焦斑)的伸长区域，但该区域沿x'方向伸长(例如，拉伸)了1/sin(θ)的因子。图4b的右下面板示意性地示出了具有第一多个位置和沿x方向伸长的区域被旋转以具有第二旋转取向的样品130，但为了清楚起见未示出沿x'方向伸长的区域。
64.在某些实现方式中，通过以下方式使第二多个位置由入射x射线束124照射：在样品130相对于入射x射线束124处于第二旋转取向时，在基本平行于样品130的表面的平面中在两个方向上在连续系列步骤中移动样品130(例如，在x'-y'平面对样品130执行二维光栅扫描)。这样，样品130可以移动，以使得入射x射线束124撞击第二多个位置中的每个位置。在某些其他实现方式中，照射第二多个位置包括随着检测器140的位置的相应移动，在连续系列步骤中相对于样品130移动入射x射线束124(例如，以保持检测器140与样品130的被照射部分的相对位置)。
65.在操作块350中，方法300还包括检测来自第二多个位置的荧光x射线，该荧光x射线响应于由入射x射线束124在第二多个位置处的样品130的照射而产生。例如，检测器140可以配置为记录fe荧光x射线作为样品130相对于入射x射线束124的位置的函数。检测到的来自第二多个位置中的单个位置的荧光x射线对应于单个数据点。在某些实现方式中，荧光x射线由如图3b示意性所示定位的检测器140检测。
66.在某些实现方式中，重复操作块340和350(例如，重复2d光栅扫描数据收集)直到δω样品旋转的总累积角度达到180度(以弧度为单位时为π)。因此，总旋转数等于180
°
/δω＝2/(sin(θ)。在某些实现方式中，在扫描样品130的同时连续收集荧光x射线信号。在某些实现方式中，方法200和/或方法300用于通过避免与常规方法的逐点数据收集相关联的开销来优化数据收集效率。
67.在某些实现方式中，方法200和/或方法300还包括对在样品130具有第一旋转取向时收集的荧光x射线进行能量解析和对在样品130具有第二旋转取向时收集的荧光x射线进行能量解析。在某些实现方式中，方法200和/或方法300还包括对在样品130具有每个顺序旋转取向时收集的荧光x射线进行能量解析。在某些实现方式中，方法200和/或方法300还包括对在照射第一多个位置时收集的荧光x射线进行能量解析，以及对在照射第二多个位置时收集的荧光x射线进行能量解析。
68.在某些实现方式中，方法200和/或方法300还包括重建所收集的x射线荧光数据(例如，如在操作块220、250、320和350中所收集的)以生成样品130中痕量元素分布(例如fe分布)的二维图像(参见例如chris jacobsen的“x射线显微镜”，包括第8.5.2节(剑桥大学
出版社，2019年))。可以以类似于常规吸收ct重建中的单个切片的图像重建的方式来执行这种重建。例如，如图5示意性所示地，沿x射线束路径的总累积x射线荧光信号(例如，如图5中下部水平箭头所标记的)被视为均匀地分布到沿x射线束路径的所有像素。有了这种等效性，为ct开发的许多图像重建技术，例如sirt算法，可以被适配和优化以用于本文描述的某些实现方式中。在某些实现方式中，使用在样品130相对于入射近掠入射x射线束124的各种旋转取向收集的荧光x射线数据的重建被配置为恢复空间(例如，横向)分辨率，该分辨率否则由于近掠入射角和伴随的光斑尺寸从近掠入射角增加(例如，1/sinθ的因子)而丢失。例如，重建可以包括三角测量通过组合不同旋转角度的数据的信号生成点，从而提高空间分辨率。
69.图6a-6c示意性地示出了与本文描述的某些实现方式兼容的各种示例扫描模式。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。在该扫描模式中，执行样品130在横向平面(例如，基本平行于样品表面)中的多个逐步扫描，并且在每次光栅扫描后样品130旋转(例如，围绕基本垂直于样品表面的轴)。在某些这样的实现方式中，可以使用步进-采集-步进扫描，其中在执行每个步骤时暂停数据采集(例如，在样品静止时执行数据采集)以采集荧光x射线数据的良好统计。如图6a所示，逐步扫描可以是光栅扫描(左面板)或逐步扫描可以是蛇形扫描(右面板)。
70.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。在该扫描模式中，在相对于入射x射线束124移动样品130的同时连续采集数据(例如，没有暂停；具有大视场)。如图6b所示，飞行扫描可以是光栅扫描(左面板)或飞行扫描可以是蛇形扫描(右面板)。
71.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。对于样品130的感兴趣的小区域，这种扫描模式可以快速并且以小视场使用，并且光学显微镜可以用于粗略对准并找到感兴趣的区域。在该扫描模式中，入射x射线束124横穿样品130并且样品130同时旋转以获得小数据集，具有连续或交织的步骤。
72.xrf信号
73.在某些实现方式中，至少一个检测器140被配置为检测由样品130发射的x射线荧光信号并且可以估计x射线荧光信号的强度。例如，检测到的fe的x射线荧光信号(fi)可以近似表示为：
[0074][0075]
其中f是入射x射线通量，σ是fe在8kev下的x射线荧光截面，n是样品130(例如脑样品)的照射体积中的fe原子数，ω是至少一个检测器140的立体角，以球面度为单位，而ξ是将损失(例如，样品130内部的聚焦x射线束124的衰减，从样品130内的产生点到检测器140的fe荧光x射线的衰减，以及检测器的检测效率)纳入考虑的参数。针对在薄脑切片中对fe进行成像，该参数ξ可近似为1，因为这些损失小，这是由于样品130的低z元素对荧光x射线的吸收可忽略不计，并且因为ssd对fe k线荧光x射线的检测效率接近100％。
[0076]
入射聚焦x射线通量f是x射线源亮度b(例如，照射样品130的每单位面积和每单位立体角的x射线数量)、聚焦x射线束124的相位空间的平方的乘积，其等于焦斑大小l与x射线光学子系统120的数值孔径na(收集立体角)的两倍的乘积：
[0077][0078]
其中，系数0.5说明了由于在两个抛物面镜122上使用中心光束挡板以去除未反射的x射线而造成的损失。使用x射线源110的b＝1.3x10
10
/s/mrad2/mm2、l＝30微米和na＝14毫弧度的值，入射聚焦x射线通量f等于2.8x109x射线/s/(30μm)2。
[0079]
样品130的照射体积中的fe原子数n大体等于约2ppm(2*10-6
)的fe的平均浓度与聚焦x射线束124的照射体积中的原子总数的乘积，近似等于10
11
*π*(l/2)2*t/sin(3
°
)，其中10
11
是每μm3的原子数(例如，假设每个原子占据体积，t是样品130的厚度，单位为μm)。对于t＝40微米，fe原子数n可估计为等于1.1
×
10
11
。使用上述f和n的计算值，对于8kev时的fe荧光截面，σ＝7.39*10-21
cm2，并且ω＝1.2(4π的10％)球面度，能量色散检测器140检测到的fe的射线荧光信号对于具有1ppm fe浓度和30μm聚焦光束尺寸的40微米厚脑组织样品130，可估计为fi＝2.4
×
104/s。
[0080]
对于5毫秒的采集时间，可以检测到大约900个fe ka荧光x射线(fi)，精度为2.5％(计数)，这对于fe的量化而言已经足够了。使用每个采集点5ms，总采集时间可以估计为每次旋转的采集点总数、旋转次数和采集时间的乘积，即250*13*125*5ms＝2.0
×
103秒，即0.56小时(33.6分钟)。
[0081]
在某些实现方式中，与90度入射角相比，系统100在3度入射角下有利地提供大于75％的180x xrf数据收集速度(例如，信号速率)增益。例如，常规系统可以在250秒内以30μm的焦点和优于1.4％的测量精度测量硅晶圆上的单原子层co膜，每秒收集约30个co荧光x射线。在本文描述的某些实现方式中，示例系统100可以通过将入射角从90度改变为3度来实现增加180x至5.4*103/s的co荧光计数率。注意，co荧光计数率仅比根据本文描述的某些实现方式要利用示例系统100实现的估计fe荧光计数低2倍。
[0082]
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品400(例如，仿体)的侧视图和俯视图，其模拟具有约2ppm相对浓度的痕量元素的脑组织的40μm切片。示例模型样品400的图案化区域的直径是1.5厘米。模型样品400可以通过将大约1个原子厚的fe通过20μm厚的聚酰亚胺沉积到在开口直径约为10mm的塑料垫圈上拉伸的40μm厚的聚酰亚胺上来制造。图案化的铁层可以夹在两个聚酰亚胺层之间。具有既定厚度校准过程的溅射系统可用于沉积fe层。两个聚酰亚胺层中fe的相对浓度可以大体等于约4ppm(约/40μm)。模型样品400可用于在两个入射角(例如，3度和90度)测量和收集来自模型样品400的fe xrf信号，以展示xrf速率增益。
[0083]
除非另有明确说明，或在所使用的上下文中以其他方式理解，否则诸如“能”、“可以”、“可能”或“可”之类的条件语言通常旨在传达某些实现方式包括某些特征、元素和/或步骤，而其他实现方式不包括。因此，这种条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实现方式是必需的。
[0084]
除非另有明确说明，否则诸如短语“x、y、z中的至少一个”之类的连接语言应在一般用于传达项、术语等可以是x、y或z中任一者的上下文内理解。因此，这样的连接语言通常并不意味着暗示某些实现方式要求存在至少一个x、至少一个y和至少一个z。
[0085]
如本文所用的，诸如术语“近似”、“大约”、“大体”和“基本上”之类的程度语言表示接近所述值、量或特征的值、量或特征仍然执行期望的功能或达到期望的结果。例如，术语“近似”、“大约”、“一般”和“基本上”可以指在所述量的
±
10％以内、
±
5％以内、
±
2％以内、
±
1％以内或
±
0.1％以内的量。作为另一示例，术语“大体平行”和“基本平行”是指偏离完全平行
±
10度、
±
5度、
±
2度、
±
1度或
±
0.1度的值、量或特性，术语“大体垂直”和“基本垂直”是指偏离完全垂直
±
10度、
±
5度、
±
2度、
±
1度或
±
0.1度的值、量或特性。
[0086]
上面已经描述了各种配置。尽管已经参考这些特定配置描述了本发明，但是这些描述旨在说明本发明而不旨在进行限制。在不背离本发明的真正精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改和应用。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行并且不必限于任何特定公开的顺序。来自以上讨论的各种实现和示例的特征或元件可以彼此组合以产生与本文公开的实现方式兼容的替代配置。已经在适当的地方描述了实现方式的各个方面和优点。应当理解，不一定所有这些方面或优点都可以根据任何特定实现方式来实现。因此，例如，应当认识到，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来执行各种实现方式，而不必实现如本文可能教导或建议的其他方面或优点。