[논문 리뷰] High-resolution ab initio three-dimensional X-ray diffraction microscopy

Henry N. Chapman, Anton Barty외 11명|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2005. 09. 08.

Advanced X-ray Imaging Techniques참고 문헌 51인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 일관된 X선 회절 데이터로부터 사전 지식 없이 단계를 복원하는 방법을 사용하여 고해상도 3차원 X선 회절 현미경을 구현하였으며, 물체의 형상이나 조성에 대한 사전 지식 없이도 약 10 nm 횡방향 해상도와 50 nm 축방향 해상도를 달성하였다. 이 방법은 반복적 단계 복원 및 3차원 푸리에 재구성 기법을 통해 두꺼운 비정현적 샘플의 아티팩트 없는 3차원 영상화를 가능하게 하였으며, X선 자유전자 레이저에서 원자 해상도 영상화의 기초를 마련하였다.

ABSTRACT

Coherent X-ray diffraction microscopy is a method of imaging non-periodic isolated objects at resolutions only limited, in principle, by the largest scattering angles recorded. We demonstrate X-ray diffraction imaging with high resolution in all three dimensions, as determined by a quantitative analysis of the reconstructed volume images. These images are retrieved from the 3D diffraction data using no a priori knowledge about the shape or composition of the object, which has never before been demonstrated on a non-periodic object. We also construct 2D images of thick objects with infinite depth of focus (without loss of transverse spatial resolution). These methods can be used to image biological and materials science samples at high resolution using X-ray undulator radiation, and establishes the techniques to be used in atomic-resolution ultrafast imaging at X-ray free-electron laser sources.

연구 동기 및 목표

• 일관된 X선 회절을 사용하여 비정현적이고 두꺼운 샘플의 고해상도 3차원 영상화를 사전 구조 지식 없이 달성하고자 한다.
• 2차원 영상에서의 초점 불일치 아티팩트를 제거하기 위해 3차원 회절 데이터로부터 전체 3차원 재구성을 가능하게 하고자 한다.
• X선 언듈레이터 복사로 인한 X선 회절 데이터를 이용해 생물학적 및 재료 과학 샘플에 대해 사전 지식 없이 3차원 단계 복원의 가능성을 입증하고자 한다.
• 제한된 각도의 회절 데이터로부터 10^9 보크셀 이상의 부피를 재구성하기 위한 계산 및 알고리즘 프레임워크를 수립하고자 한다.
• SEM와의 정량적 분석 및 비교를 통해 재구성된 3차원 영상의 해상도와 일관성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 140개의 각도 방향(각 1° 간격)에서 3차원 시험 물체(실리콘 nitride 피라미드)의 일관된 X선 회절 패atters를 측정하였다.
• 3차원 회절 강도 데이터는 반복적 단계 복원 알고리즘을 사용하여 3차원 영상으로 재구성되었으며, 특히 물체의 지지 영역을 사전 지식 없이 결정하는 Shrinkwrap 알고리즘을 적용하였다.
• 단계 복원 과정은 3차원 단계 복원 전달 함수(PRTF)로 특성화되었으며, 빔스탑 또는 제한된 각도 커버리지로 인한 노이즈 및 데이터 누락을 고려하였다.
• 회수된 복소수 회절 진폭에 대해 3차원 역푸리에 변환을 적용하여 물체의 전자 밀도를 나타내는 최종 3차원 영상 생성하였다.
• 이 방법은 물체의 형상이나 조성에 대한 사전 지식을 전혀 사용하지 않으며, 측정된 회절 강도와 반복적 제약 조건에 의존하였다.
• 재구성 과정는 약 2×10^9 보크셀의 데이터셋을 처리하여 10 nm 픽셀 간격에서 고해상도 영상화를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물체의 형상이나 조성에 대한 사전 지식 없이도 고해상도 3차원 X선 회절 현미경 영상화가 가능할 수 있는가?
• RQ2 제한된 각도의 3차원 회절 데이터로부터 사전 지식 없이 단계 복원을 통해 3차원에서의 해상도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ3 2차원 영상에서의 초점 불일치 아티팩트는 두꺼운 비정현적 샘플의 해석에 어떤 영향을 미치며, 3차원 재구성으로 이를 제거할 수 있는가?
• RQ4 빔스탑 또는 제한된 각도 샘플링으로 인한 데이터 누락 상황에서 단계 복원 알고리즘이 얼마나 잘 일관된 단계를 복원할 수 있는가?
• RQ5 3차원 MTF(PRTF)를 사용하여 영상 과정의 해상도 한계를 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 x 및 y 방향에서 약 10 nm, z 방향에서 약 50 nm의 해상도를 달성하였으며, 측정된 최대 공간 주파수 0.068 nm⁻¹까지 일관된 단계 복원을 수행하였다.
• 빔스탑 또는 제한된 각도 커버리지로 인한 푸리에 공간 데이터 누락 상황에서도 Shrinkwrap 알고리즘이 사전 지식 없이 물체 지지 영역을 성공적으로 결정하였다.
• 재구성된 3차원 영상은 서로 접촉한 50 nm 구체를 해상화하였으며, 선형 프로파일은 SEM 영상과 양호한 일치를 보여 높은 정밀도와 해상도를 확인하였다.
• 전체 공간 주파수 범위에 걸쳐 회수된 단계의 일관성은 영상 해상도의 상한선을 제공하며, 최대 기록 주파수까지 체계적인 단계 오차가 없음을 시사한다.
• 3차원 재구성 과정는 강건성과 확장성을 입증하였으며, 약 2×10^9 보크셀의 데이터셋을 처리할 수 있었으며, 9.5 µm 너비 이내의 물체를 7 nm 대각선 해상도로 영상화할 수 있었다.
• 본 연구는 X선 자유전자 레이저에서 생물학적 거대분자의 원자 해상도 3차원 영상화의 길을 열었으며, 최대 480 nm 너비의 물체를 0.7 nm 해상도로 해상화할 잠재력이 있다.