실험실을 이용한 단색 컴퓨터 단층촬영

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 363(2023) 이 기사 인용

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이 기사에서는 기존 X선 튜브 소스를 활용하는 실험실 규모의 요한형 X선 흡수 분광계를 사용하여 가장자리 구조 기반 단층 촬영 근처의 고단색 전계 X선 흡수의 실행 가능성을 보여줍니다. 이 개념 증명에서는 Se 원소, Na\(_2\)SeO\(_3\) 및 Na\(_2\)SeO\(_4\)가 내장된 팬텀을 사용하여 세 가지- 서로 다른 산화 상태의 Se의 차원 분포는 흡수 가장자리 대비 단층 촬영을 통해 팬텀 매트릭스 및 서로 매핑되고 구별될 수 있습니다. 제시된 방법은 저광도 X선 소스를 사용하여 mm 규모 샘플의 화학 종분화에 대한 체적 분석을 허용하며 생물학 및 화학을 포함한 다양한 분야의 재료 공학 및 연구를 위한 새로운 분석 도구를 나타냅니다.

컴퓨터 단층촬영(CT)은 물질의 3차원 구조를 조사하기 위해 널리 사용되는 비파괴 방법입니다. 임상 CT 장비와 실험실 규모 설정의 대부분은 기존 X선관으로 생성된 다색 광대역 빔을 기반으로 합니다. 이는 이미징 목적을 위해 충분히 높은 광자 플럭스를 생성하지만 빔의 다색성은 빔 경화 아티팩트 및 이미징 대상의 화학적 구성에 대한 둔감함과 같은 자체 단점을 가지고 있습니다. 어느 정도의 화학적 대비는 이중 에너지 이미징을 통해 얻을 수 있지만 이 정보는 원자 번호에 따라 기껏해야 원소를 두 개 또는 세 개의 그룹으로 분리하는 데 사용될 수 있습니다1. 물질의 특성은 원소의 구성과 분포뿐만 아니라 원소의 화학적 종분화에도 의존하기 때문에 원소 감도의 부족은 재료 연구의 관점에서 볼 때 중요한 단점입니다.

이러한 한계는 싱크로트론 및 X선 자유 전자 레이저 광원으로 생성된 것과 같은 고도로 단색이고 조정 가능한 X선 빔을 사용하여 극복할 수 있습니다. 그러한 접근법 중 하나는 K-에지 차감 영상으로, 예를 들어 크세논 가스 K-에지 흡수 영상2,3을 사용하여 천식 발작 중 폐의 기도 환기를 매핑하는 데 활용되었습니다.

\(\lesssim\) 1eV 분해능으로 X선 빔의 광자 에너지를 조정하면 서로 다른 화학종의 X선 신호를 분리할 수도 있으며, 이를 통해 샘플 내 종의 분포를 매핑하는 데 사용할 수 있습니다. . XANES(X선 흡수 가장자리 근처 분광학)로 알려진 이 방법은 특정 원소의 화학 분석, 가장 중요한 것은 산화 상태 및 국소 원자 배위를 분석하기 위한 비파괴 도구를 제공합니다4. 이는 배터리 재료5,6,7의 나노 및 메조규모 화학 조성 및 상전이 조사, 촉매 재료8,9의 분해 및 비활성화8,9 및 이질성 조사와 같은 수많은 재료 연구 응용 분야에서 단층 촬영용 대비 방법으로 활용되는 데 성공을 보여주었습니다 결함 가공 금속-유기 골격 결정10. 또한 유사한 아이디어가 비탄성 X선 산란(X선 라만 분광법)에 적용되어 낮은 Z 원소의 화학적 상태에 대한 단층 데이터를 얻어 \(sp^2\)와 탄소 물질의 \(sp^3\) 결합11.

앞서 언급한 기술에는 싱크로트론 광원과 같이 매우 밝고 에너지 조정이 가능한 X선 광원이 필요하므로 실험실 규모에서의 적용 가능성이 제한됩니다. 그러나 대규모 싱크로트론 및 X선 자유 전자 레이저 광원의 높은 수요와 빔 시간 부족으로 인해 실험실 규모 X선 분광법은 최근 몇 년간 르네상스를 경험했습니다. 광자 출력이 훨씬 낮음에도 불구하고 실험실 규모의 장비는 많은 응용 분야에서 대규모 시설에 대한 실행 가능한 대안임이 입증되었습니다.