新型X射线源提升生物成像精度！

  水窗X射线是X射线光谱的一部分，在该区间内水透明而碳具有吸收性，因此适用于生物细胞及其细胞器的非破坏性成像，特别是在医学和生物科学等领域具有广泛应用。与传统的X射线源相比，水窗X射线源能够在不使用染色剂的情况下增强细胞图像的对比度。这一特性使得科学家们可以通过不同光子能量的成像技术，获取更高分辨率的元素图谱。然而，现有的水窗显微镜主要依赖大型同步辐射源，其体积非常庞大且难以普及，这限制了其在实验室中的广泛应用。未解决这一问题，新加坡南洋理工大学黄良杰课题组的研究人员在水窗X射线源的开发中取得了新进展。他们设计了一种基于自由电子驱动的范德瓦尔斯（vdW）材料的水窗X射线源。该团队利用这一新型源实现了光子能量的连续调谐，明显提高了X射线成像的对比度和灵敏度。通过理论框架和实验验证，他们成功揭示了发射光子通量的基本规律，并实现了高达10³光子/s的实验通量，预示着在适当条件下，通量有潜力突破10⁸光子/s。这一成果不仅拓展了水窗X射线的应用场景范围，还为更紧凑、多功能的生物成像设备铺平了道路。

  本文通过JEOL 7800场发射扫描电子显微镜（SEM）和硅漂移能谱探测器（EDS）对生成的水窗口X射线进行表征，发现了vdW材料在自由电子驱动下的高效X射线发射特性，从而揭示了其在生物成像和光谱学中的潜在应用。针对vdW材料的量子特性和X射线的频率可调性，本文通过对X射线发射过程的微观机理进行表征，得到了X射线在水窗口范围内的动态调谐能力，进而挖掘了vdW材料在元素吸收边探测中的独特优势。在此基础上，通过高精度的X射线能谱和成像技术，根据结果得出作者的vdW材料基X射线 photons/s的实验性通量，这一发现使其在X射线吸收光谱学、微化学分析等领域具备极其重大应用潜力。尤其在检测富钙的DG（δ颗粒）时，采用水窗口X射线进行X射线透射显微镜成像的方式，明显降低了误判率，并提供了更高的成像对比度。这一方法通过对比Ca L吸收边上下的X射线图像，能够准确识别出DG区域，显示出vdW材料在生物样品分析中的巨大潜力。总之，经过深入的X射线表征分析，本文不仅揭示了vdW材料在水窗口X射线生成方面的优势，还推动了新型X射线源的制备与应用，为生物医学成像、材料科学等领域的研究提供了新的技术路径和理论依照。这一进展不仅提升了实验室环境下的成像分辨率和灵活性，也为未来的临床应用打下了基础，展现出vdW材料在新一代X射线源开发中的广泛应用前景。

  图1：自由电子与范德瓦尔斯材料相互作用生成的可调水窗X射线及X射线成像仪器设计。

  本文展示了以范德华材料为基础的自由电子驱动水窗口X射线源的潜力，突显了其在生物成像和光谱学等领域的重要应用。传统X射线管的频率固定，而vdW材料的水窗口X射线源能够动态调谐频率，覆盖整个水窗口范围，这为高分辨率成像提供了新的可能性。此外，该源的桌面化设计和较低的操作成本使其在实验室环境中的应用更为可行。通过优化电子束能量和材料厚度，研究揭示了光子通量与电流的线性关系以及与晶体厚度的亚线性关系，为X射线源的强度控制提供了新的基础理论。尽管作者目前的光子通量低于同步辐射源，但其在特定应用中，如血小板细胞中钙富集的准确检测，仍有着非常明显优势。这一研究不仅推动了水窗口X射线源的发展，也为相关领域的技术进步提供了理论支持，预示着在生物医学成像、材料分析等方面的广泛应用前景。原文详情：Pramanik, N., Huang, S., Duan, R. et al. Fundamental scaling laws of water-window X-rays from free-electron-driven van der Waals structures. Nat. Photon. (2024).

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