便携式折射光显微镜

日前，青岛市第十四届职业技能大赛宝石鉴定赛区决赛在青岛经济职业学校和青岛市职业技能鉴定中心开赛。这也是宝石鉴定赛项首次纳入青岛职业技能大赛。　　本次比赛设立学生组和职工组两个组别，吸引了来自省内数所开办珠宝专业的中高职院校、本科高校的在校生和珠宝、典当行业从业者共计242人报名参赛。比赛分为理论考试和技能操作两大板块。作为大赛的重头戏，技能操作环节的比试于23日在青岛经济职业学校珠宝鉴定实验室举行，参赛选手运用常规珠宝鉴定仪器，如宝石显微镜、折射仪、分光镜、偏光镜、二色镜等对珠宝玉石的内外部显微特征、折射率、二色性、吸收光谱、光性等进行细致地观察和测量，进而对未知宝石定名。　　通过比拼，两个组的前10名分别胜出获得荣誉证书，其中各组前六名选手将分获800-10000元不等的奖励。职工组前三名选手将获“青岛市技术能手”称号，技能状元还将有机会继续冲击10万元的“振超技能大奖”。学生组第一名将获“青岛市第十四届职业技能大赛学生组宝石鉴定竞赛冠军”和“青岛市技能新星”称号。

仪器信息网讯 近日，瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI) 的科学家开发了一种X射线显微镜的突破性光学元件——X 射线消色差透镜。这使得 X 射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。对应成果于3月14日发表在科学杂志Nature Communications上，成果表示，新型X射线镜头将使使用 X 射线研究纳米结构变得更加容易；这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8用于在微纳米尺度上无损研究物质内部结构和元素组成的X射线技术需要高性能的X射线光学系统。为此，在过去的十年中，人们开发了各种类型的反射、折射和衍射光学元件。衍射和折射光学元件已成为大多数高分辨率X射线显微镜的组成部分。然而，始终遭受固有色差的影响。到目前为止，这限制了它们在窄带辐射中的使用，从本质上说，这类高分辨率X射线显微镜仅限于高亮度同步辐射源。与可见光光学类似，解决色差的一种方法是将具有不同色散功率的聚焦光学和散焦光学结合起来。在这次新成果中，PSI科学实现了X射线消色差仪的首次成功实验，该消色差仪由电子束光刻和镀镍制作的聚焦衍射菲涅耳波带片（FZP）和3D打印双光子聚合制作的散焦折射透镜（RL）组成。利用扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学显微镜，科学家演示了在宽能量范围内的亚微米消色差聚焦，而无需任何焦距调整。这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。消色差镜头对于在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像至关重要。它们确保不同颜色（即不同波长的光）具有共同的焦点。然而，迄今为止，X 射线还没有消色差透镜，因此只有单色 X 射线才能实现高分辨率 X 射线显微镜。在实践中，这意味着必须从 X 射线光束光谱中滤除所有其他波长，因此只能有效使用一小部分光，从而导致相对低效的图像捕获过程。由 3D 打印机创建的微结构：由 PSI 科学家开发的创新折射结构与衍射元件相结合，形成一个消色差 X 射线镜头，约一毫米长（或高，如图所示）。打开它的末端，就像一个微型火箭。它是由 3D 打印机使用特殊类型的聚合物创建的。该结构的图像由扫描电子显微镜拍摄。图片来源：Paul Scherrer Institute/Umut SanliPSI 科学家团队已通过成功开发用于 X 射线的消色差 X 射线透镜解决了以上问题。由于 X 射线可以揭示比可见光小得多的结构，创新的镜头将特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。比可见光消色差更加复杂对于可见光，消色差透镜的应用已经超过200多年。但对于X 射线的消色差透镜直到现在才被开发出来，这一事实乍一看似乎令人惊讶。可见光的消色差透镜是由一对不同的材料组成，当可见光穿透第一种材料时，分散成不同光谱颜色（就像穿过传统的玻璃棱镜时一样），然后这些光谱再通过第二种材料时就会逆转这种分散效果，聚焦在一个点上。（在物理学中，分散不同波长的过程称为“色散”）消色差聚焦原理：散焦折射透镜（RL）的色度作为聚焦菲涅耳波带片（FZP）色度特性的校正器。b扫描电子显微镜（SEM）显示了通过电子束光刻和镍电镀制作的镍FZP，用于对比测量。c由四个堆叠抛物面组成的RL的SEM图像，使用双光子聚合光刻技术进行3D打印。d使用消色差作为聚焦光学元件的扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学成像实验装置的草图。PSI 的X 射线纳米科学与技术实验室 X 射线光学与应用研究组负责人、物理学家 Christian David 解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理在 X 射线范围内不再起作用。对于 X 射线，没有任何两种材料的光学特性能够在很宽的波长范围内足以抵消另一种材料的影响。换句话说，材料在 X 射线范围内的色散是太相似了。”两个原理而不是两种材料因此，科学家们没有将寻找答案放在在两种材料的组合中，而是探索将两种不同的光学原理联系在一起。“诀窍是要意识到我们可以在衍射透镜前面放置第二个折射透镜，”新研究的主要作者Adam Kubec说。Kubec 目前是 Christian David 小组的研究员，现在为 XRnanotech 工作，XRnanotech 是 PSI 在 X 射线光学研究过程中的一个衍生公司。“多年来，PSI 一直是 X 射线镜片生产的世界领导者，”David 说，“我们为全球同步加速器光源的 X 射线显微镜提供专门的透镜，称为菲涅耳波带片。” David 的研究小组使用已建立的纳米光刻方法来生产衍射透镜。然而，对于消色差透镜中的第二个元素——折射结构——需要一种新方法，这种方法最近才得以实现：微米级的 3D 打印。这最终使 Kubec 能够制作出一种类似于微型火箭的形状。使用消色差仪演示在不同能量下的 STXM 成像。a）使用消色差获得的图b 中所示的Siemens star样品的 STXM 图像，表明在最佳能量约 6.4 keV 的附近，消色差范围 1 keV。b) Siemens star 测试样品的 SEM 图像，外圈和内圈的径向线和间距 (L/S) 的宽度分别为 400 nm 和 200 nm，见红色箭头。c) STXM 的比较结果是使用消色差 (上) 和传统 FZP (下) 获得的能量范围为 6.0 keV 至 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量快速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。潜在的商业应用新开发的镜头使得X射线显微镜实现了从研究应用到商业应用（例如工业）的飞跃。“同步加速器源产生如此高强度的 X 射线，以至于可以滤除除单个波长以外的所有波长，同时仍保留足够的光来产生图像，”Kubec 解释说。然而，同步加速器是大型研究设施。迄今为止，在工业界工作的研发人员被分配了固定的光束时间，在研究机构的同步加速器上进行实验，包括 PSI 的瑞士同步辐射光源 SLS。这种光束时间极其有限、昂贵，且需要长期规划。“行业希望在他们的研发过程中拥有更快的响应循环，”Kubec 说，“我们的消色差 X 射线镜头将在这方面提供巨大帮助：它将使工业公司可以在自己的实验室内操作紧凑型 X 射线显微镜。”PSI 计划与 XRnanotech 一起将这种新型镜头推向市场。Kubec 表示，他们已经与专门在实验室规模上建造 X 射线显微镜设施的公司建立了适当的联系。作为元件安装在瑞士同步辐射光源SLS上进行测试为了测试他们的消色差仪的性能，科学家们在将其作为聚焦光学元件安装在瑞士同步辐射光源SLS的cSAXS光束线上。其中一种方法是非常先进的 X 射线显微镜技术，称为 ptychography。“这种技术通常用于检测未知样本，”该研究的第二作者、Christine David 研究小组的物理学家、X 射线成像专家 Marie-Christine Zdora 说，“另一方面，我们使用 ptychography 来表征 X 射线束，从而表征我们的消色差透镜。” 这使科学家能够精确检测不同波长的 X 射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新镜头进行了测试，该方法使样品以小光栅步长穿过 X 射线束的焦点。当改变 X 射线束的波长时，使用传统 X 射线镜头产生的图像会变得非常模糊。但是，在使用新的消色差镜头时不会发生这种情况。“当我们最终在广泛的波长范围内获得测试样品的清晰图像时，我们知道我们的镜头正在发挥作用，” Zdora高兴地说道。David 补充说：“我们能够在 PSI 开发这种消色差 X 射线镜头，并且很快将与 XRnanotech 一起将其推向市场，这一事实表明，我们在这里所做的这类研究将在很短的时间内实现实际应用。”

便携式显微镜的广泛普及 加快相关学科的突飞猛进1、 便携式显微镜之于科学的意义不在野外，而在于突破时空，让研究更精彩便携式显微镜允许科学家在野外、实验室外或其他难以接近的地点进行即时观察和分析。这大大加快了研究速度，减少了样本在运输过程中可能发生的降解或污染。对于生态学、环境科学、地质学等领域的研究人员来说，现场即时分析是他们工作的关键，便携式显微镜为他们提供了极大的便利。其实，便携式显微镜意义不仅是在室外，而更重要的是实时，突破了空间，拉近了时间，其不论是在实验室内、还是工厂车间，大家都需要随时、随手、简单而高效的显微观察与记录。便携式显微镜之于科学的意义不在野外 而在于突破时空2、 便携式显微镜之于教育不仅是启蒙，更是兴趣与好奇，撒向天空的种子，终将会生根发芽便携式显微镜是便携性、易用性、时尚性，融为一体的产物；使其非常适合用于中小学、大学的科学教育，其潜能可广泛应用在传统显微实验室内，助力传统显微镜生出翅膀，实现原位观察与测量，是对传统显微实验室一种有力补充。无须制样、原位观察、突破空间，是传统台式显微镜无法提供的体验，而新一代的青年学子，及青青奇兽们，是更喜欢这种简单、直接的沟通方式，生动而活泼的实验氛围，就像给传统实验室加上翅膀，增加对科学的兴趣和理解，能有效体会到更简单、更快捷的接近事物的本质，能促进人，从底层逻辑的思考，实现从0到1的启发。 教育不仅是启蒙 更是兴趣与好奇 撒向天空的种子 终将会生根发芽3、 便携式显微镜之于现场，这不是简单加持，更是一场行业赋能便携式显微镜的核心是“快”、是“来得快”（我小巧，随时在这里）、是“简单得快”（我操作方便、自动对焦）、是“记录得快”（随时拍照、录像）、是“分析得快”（可定量测量，上传云端、进行AI诊断）；而一切的“快”，都是对时间的缩小，是现场机会的把握。不论是对于工业生产线上、或是考古研究、还是消防火调、或是海关、边检、食检、安监、等需要现场检测或办公的领域来说，便携式显微微镜之于现场、都不是简单加持，更是一场行业赋能，或说是一种工具升级，尤如石器之于火器。便携式显微镜之于现场 这不是简单加持 更是一场行业赋能最后、便携式显微镜发展到今天，诚然还有他的局制性，而现成熟的方向是5-100微米的显微尺寸，而5微米以下还需要更加努力；另外，也会科学家说，现在显微镜的应用空间越来越少了，其当然在实验室还受到电子束、X射线、质谱等的替代分析，但是显微镜是最早的科学研究的方式，其对影像最直接的观察，从来都是人类的天性，也会一直都是，我们最容易、最需要接受的一种方式，所以，他不是被替代，会一直在，尤其是便携式显微镜。 写到最后，作者本人是专注从事便携式显微镜领域的研究，很是期待各行业、各领域的精英、学者、从业人员，大家都可以广泛交流，促使完善便携式显微镜更加适应于相应的领域，共同制定相关的行业标准，以及更好的满足行业要求。