導讀：自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，多種X射線分析測試手段應運而生，已經成為材料現(xiàn)代分析方法的重要組成部分。X射線衍射分析（XRD）、X射線熒光分析（XRF）、X射線光電子能譜分析（XPS）、X射線吸收精細結構譜分析（XAFS）、X射線成像（DR）以及計算機斷層掃描（CT）等分析手段均以X射線為信號的激發(fā)源，也對X射線源提出了不同的要求，概括起來，一個好的X射線源應該具有能量密度（光通量）高同時束斑尺寸小的特點。
在傳統(tǒng)X射線源中，獲得X射線的方法是使用高速電子流撞擊陽極靶，受限于陽極材料的熱量承載能力，其工作溫度必須遠低于靶材熔點，因此電子束的功率密度也受到限制。這就使得一些對于X射線能量密度要求較高的測試手段無法在實驗室實現(xiàn)，只能借助于同步輻射光源（synchrotron）。針對以上問題，Excillum公司經過十余年的研發(fā)與改進，掌握了先進的液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源技術，這項新技術能夠帶來10倍于普通固體陽極X射線光源所發(fā)射的X射線通量（在相同焦斑面積上），傳統(tǒng)微焦斑X射線發(fā)生器中的固體金屬陽極正逐漸被液態(tài)金屬射流所取代。
目前在全球超過100個實驗室里，Excillum液態(tài)靶在不同的應用領域幫助科研工作者實現(xiàn)多種以往必須要借助同步輻射光源才可以實現(xiàn)的測試需求，下面是一些科研工作中的實際案例。
一、相襯成像
與吸收襯度成像相比，相襯成像對于X射線源的要求更高。為了獲得對比度，需要一個具有高橫向相干的X射線源。這意味著光源要么必須有一個微小的焦斑，要么必須遠離物體。這兩種選擇原則上都會使光通量降低，因此會導致很長的曝光時間。為了縮短曝光時間，具有微焦斑且同時可以保持高通量的X射線源是非常有益的。另一個常用的度量是光源亮度。光源亮度是一種同時包含相干性和通量的重要指標，在許多情況下具有高亮度很重要。而Excillum的液態(tài)靶(MetalJet)光源同時具有高相干性和高通量等特點，非常有利于相襯成像。
高分辨率斑馬魚肌肉X射線同軸相襯成像(PBI)斷層掃描
利用MetalJet液態(tài)靶X射線源，對一條未染色的斑馬魚進行PBI斷層掃描。實驗結果表明對于吸收襯度很低不好觀察的樣品，用MetalJet即可獲得相對高對比度的結果，同時分辨率為亞微米。該方法為軟組織研究和小動物模型的亞細胞分辨率下的無創(chuàng)全身成像鋪平了道路，從而有助于深入了解肌肉疾病和評估干預措施。
W. V?gberg, et al., “X-ray phase-contrast tomography for high-spatial-resolution zebrafish muscle imaging“, Sci. Rep. 5. 16625 (2015).
基于液態(tài)靶X射線源的光柵相襯成像
KTH和ETH/PSI的科學家聯(lián)合研究證明了在GBI中使用金屬靶X射線源的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的微焦斑光源相比，這顯著提高了光通量和圖像可見度。此外，在鼠身上的斷層掃描顯示了其生物醫(yī)學應用的初步探索。
基于MetalJet的GBI層析成像中相位對比度(A)和衰減對比度(b)切片的比較。該樣本是在液體石蠟浴中掃描的大鼠大腦。
Reproduced from T. Thüring, et al., X-ray grating interferometry with a liquid-metal-jet source, Appl. Phys. Lett. (2013) with the permission of AIP Publishing.
二、X射線光譜學/熒光學
X射線光譜學建立在元素與不同能量的X射線之間有著特征性的相互作用。這種特征性可以用來識別元素，因為每個元素都有其獨有的吸收邊和特征X射線熒光線。這提供了一種檢測周期表中大多數(shù)元素的方法，即使是在物體內部且濃度很低。X射線光譜學和熒光技術在材料科學、生物學、法醫(yī)學、環(huán)境科學和工業(yè)應用等領域有著廣泛的應用。
物體的表征既可以通過研究其吸收和散射如何隨入射X射線束能量的變化而變化來實現(xiàn)，也可以由物體在吸收X射線后發(fā)射出的光子和電子的能量來實現(xiàn)。利用不同種類的光譜方法，可以得到各種不同的信息，因此譜學研究中設備的多樣性就顯得十分重要。例如，當同時需要元素對比度和高空間分辨率時，入射的X射線輻射通常集中在物體上的一個小光點或光束上。這需要一個高亮度的X射線源和為特定任務定制的X射線光學器件。
基于液態(tài)靶光源的高精度Maia Mapper實驗室級X射線熒光成像系統(tǒng)
Maia探測器陣列起初用于同步加速器高分辨率X射線熒光成像。今天，得益于Excillum MetalJet的高亮度、嚴格的出束機制和良好的光譜匹配度，這項技術也可以在實驗室中使用。
研究人員將一個多壁毛細管透鏡裝配在MetalJet光源上，可以在樣品處提供32 μm的焦點，同時利用長距離平移臺，可以在較大范圍的區(qū)域內對樣品進行高分辨率掃描。由于高亮度的液態(tài)金屬射流X射線源和光學系統(tǒng)中的高通量增益，使得曝光時間非常的短。
巖心樣品的例子顯示了該方法同時識別多種元素的潛力，圖中有涉及鈣、鐵、錳、銣、鍶和金。Jundee金礦的一個巖心用Maia Mapper成像，顯示了大視場（231×46平方毫米）和高分辨率（30μm像素大?。┰谙鄳牟杉瘯r間（停留6.0毫秒）內的組合。RGB圖像如圖所示，分別為Ca-Fe-Mn (a)和Rb-Sr-Mn (b)，其中Au-Fe-Ca圖像的插圖（c）突出了區(qū)域內的細節(jié)，并帶有罕見的顆粒和光譜。
C.G. Ryan, et al., “Maia Mapper: high de?nition XRF imaging in the lab”, J. Instrum. (2018).
硬X射線光電子能譜（HAXPES）
硬X射線光電子能譜（HAXPES）可以通過分析樣品暴露于硬X射線時被激發(fā)出的光電子來研究材料特性。樣品表面以下的深度和可觀測的元素的原子序數(shù)取決于入射的X射線能量。除了普通XPS技術得到的表面信息外，更高能量的X射線可以分析各種材料的體相特性、被包裹的界面以及更內層的電子結構信息。
基于液態(tài)金屬射流技術，HAXPES-Lab是初代激發(fā)能為9.25 keV的光電子能譜實驗儀器。在此之前，這種高激發(fā)能只可能出現(xiàn)在同步輻射加速器中。
(a) 用于晶體管和二極管制造的單氧化物結構 (b-f) 用HAXPES-Lab儀器測量內核電子結構。
A. Regoutz, et al., “A novel laboratory-based hard X-ray photoelectron spectroscopy system”, Rev. Sci. Instrum. (2018).
三、散射/衍射
基于散射和衍射的方法利用了X射線與物體相互作用時改變方向的輻射。這通常提供比直接成像更小的長度尺度的信息。在小角X射線散射中，對樣品進行分析，可以獲得內部結構的尺寸、形狀和方向信息。所分析的特征主要在1- 200 nm的尺寸范圍內。對于原子尺度的結構，X射線衍射是一種非常強大的分析晶體樣品的技術。例如，整個蛋白質的原子結構可以被分解。
小角X射線散射（SAXS）
小角X射線散射(SAXS)通常被用來研究1 ~ 200 nm范圍內材料的結構，研究的材料包括聚合物、金屬、膠體、液晶和生物樣品，如蛋白質等。所確定的信息與晶粒尺寸、形狀、分布和取向、孔隙度、表面特征和內部結構等有關。
SAXS只需準備很少的樣品其結果就能代表大塊材料。散射信號通常在<6°的衍射角下被記錄，樣品被放置在距離探測器很遠的地方因而測量到的散射信號非常微弱。因此，SAXS測量受益于使用高亮度X射線源，如金屬射流，這使得弱散射效應變得更強，更明顯，更容易研究。
南洋理工大學(Nanyang Technical University)、A*STAR、路易斯維爾大學(University of Louis-ville)、羅莎琳德富蘭克林醫(yī)藥科學大學(Rosalind Franklin University of Medicine and Science)和慶熙大學(Kyung Hee University)的研究人員利用配備了MetalJet的SAXS儀器，研究了Bcl- xL蛋白。蛋白質在使用溫和的洗滌劑處理后研究了由螺旋α6-α8兩單體之間的三維區(qū)域交換產生的二聚體的形成。
Sci. Rep. 5, 10609 (2015), S. Rajan, M. Choi, Q. T. Nguyen, H. Ye, W. Liu, H. T. Toh, C. B. Kang, N. Kamariah, C. Li, H. Huang, C. White, K. Baek, G. Gru?ber, H. S. Yoon.
蛋白質晶體學
蛋白質結晶儀依靠很強的X射線源來解決空氣敏感性、小晶體、低衍射和密集反射等問題。傳統(tǒng)上，高亮度同步加速器用于測量蛋白質的全部數(shù)據(jù)，從而確定蛋白質的結構，而實驗室儀器用于蛋白質篩選，以確定在同步加速器中測量所用晶體。高亮度的X射線源，如液態(tài)金屬射流（MetalJet），使更多的蛋白質結構實驗在實驗室中成為可能，從而加快了研究的步伐，使其更容易獲得和更方便。
使用高亮度的金屬射流X射線源(MetalJet)可以增強弱衍射數(shù)據(jù)，減少實驗次數(shù)，并有可能減少樣品降解。窄而聚焦的X射線束非常適合測量超小的蛋白質晶體，提供緊湊而清晰的反射。高強度的MetalJet X射線通常會延長所收集的可見蛋白質數(shù)據(jù)的角分辨率極限，并提供更準確的反射位置和強度，從而獲得更高分辨率的蛋白質結構。
威斯康星大學（生物化學系）和加拿大國家研究委員會（人類健康治療學）的研究人員近期利用鎵金屬射流射線源（MetalJet）收集的數(shù)據(jù)解決了空腸彎曲桿菌的wlara（TDP-巖藻糖-3,4-酮異構酶）結構。
?分辨率: 2.15 ? ? Rmerge: 7.1%
?完整性: 99.3% ? 多樣性: 7.1
Glycobiology. 2017, 27(4), 358-369, Z. Z. Li, A. S. Riegert, M. F. Goneau, A. M. Cunningham, E. Vino- gradov, J. Li, I. C. Schoenhofen, J. B. Thoden, H. M. Holden, M. Gilbert
四、液態(tài)金屬靶X射線源的特點
高功率負載實現(xiàn)高亮度
| 所有電子轟擊型X射線發(fā)生器的X射線強度都受限于陽極材料的熱量承載能力。在傳統(tǒng)固體陽極技術中，為了避免陽極損壞,其表面的工作溫度必須遠低于靶材的熔點，因此靶材的各種物理性質，如熔點、導熱系數(shù)等極大地限制了電子束功率的范圍。液態(tài)金屬陽極則大為不同，因為那些防止靶材熔化的措施都不須要了，這得益于靶材本身已處于熔化的狀態(tài)以及其不斷自再生的特點。完好如初的液態(tài)靶材以接近100m/s的速度在腔體內循環(huán)。由于陽極不斷地自再生，電子束對靶材的損壞將微乎其微。 |
液態(tài)合金替代常規(guī)固體
為了得到不同的X射線發(fā)射譜線，我們使用了不同的金屬合金。對于初代的MetalJet光源，其特點在于靶材在室溫附近就已經熔化。但為了得到多樣的特征譜線以代替現(xiàn)有的常規(guī)固體陽極，在將來我們還將開發(fā)更多種類的合金材料，即使它們的熔點會更高。 鎵(Ga)合金：目前可選的有富含鎵(Ga)的合金。其Kα發(fā)射譜線能量為9.2keV, 對應波長約為1.35 ?, 類似于銅靶的Kα波長。 銦(In)合金：同樣可選的還有富含銦（In）的合金。其Kα發(fā)射譜線能量為24.2keV，對應波長約為0.51 ?，類似于銀靶的Kα波長。 |
焦斑質量和尺寸
焦斑質量 歸功于先進的電磁聚焦、光路校正技術以及高亮度LaB6陰極，高質量的電子束焦斑得以實現(xiàn)，將其與連續(xù)再生的光滑液態(tài)靶材表面相結合，整個光源便能產生超高質量的X射線焦斑。 可調的尺寸 焦斑的尺寸與高寬比均可被自由調整 |
2019年8月，Quantum Design中國與瑞典Excillum AB達成協(xié)議，作為其液態(tài)金屬靶（MetalJet）在中國的代理商，攜手將瑞典Excillum先進的液態(tài)金屬靶引進中國，希望能為中國的科學研究做出貢獻。
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