硬X射线微米探针高精度样品定位系统

１ 实验部分
样品定位系统简图由离线样品显微镜系统 、在线样品实 验系统和高精度定位样品架三部分组成 （图 ２） 。 通过定位样 品架的高精度转换 ，将离线显微镜和在线实验平台相结合 。
收稿日期 ：２０１３‐０４‐１６ ，修订日期 ：２０１３‐０７‐２１
基金项目 ：国家（９７３）项目 （２０１０ＣＢ９３４５０１ ）资助 作者简介 ：张继超 ，１９８６ 年生 ，中国科学院上海应用物理研究所博士研究生 ｅ‐ｍａｉｌ ：ｚｊｃｈａｏ ＠ ｓｉｎａｐ畅 ａｃ畅 ｃｎ
离线显微镜 Ｌｕｄｌ 电动平台间的准确 、平行移动 。纳米台为正
在升级改造的硬 Ｘ 射线亚微米聚焦平台 ，尚未对用户开放 。
定位样品架主要采用铝合金材料制作 。 其中 ，样品框为
聚四氟乙烯材料 ，设计 ７ 种不同规格 ，以适应不同大小的样
品。
１畅 ３ 坐标转换程序
坐标转换程序 ，实现样品在离线显微镜和在线实验平台
第 ３ ４ 卷 ，第 ２ 期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ４ 年 ２ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ畅 ３４ ，Ｎｏ畅 ２ ，ｐｐ５５７‐５６１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ，２０１４
在 ＢＬ１５Ｕ１ 进行微束实验时 ，确定样品中微区范围的常 规方法因存在缺陷而不能快速精确定位 。 如图 １ 所示 ，Ｘ 射 线经 Ｋ‐Ｂ 镜聚焦 ，照射在样品上 。 样品与入射光呈 ４５°放置 在七轴样品台上 ，七轴样品台拥有 ７ 个可调节维度［１２］ ，其中 ｘ ， ｙ ，ｚ 方向精度均为 ０畅 １ μｍ 。观察显微镜和荧光探测器与 入射光分别呈 ４５°和 ９０° 。常规方法是通过观察显微镜观测样 品 ，划定扫描范围 ，当样品处于最清晰状态 ，显微镜的焦点 位置定为 Ｘ 射线光照射到样品上的位置 。受观察显微镜焦深 限制 ，划定的扫描范围与实际扫描范围经常不一致 ，存在 ５ ～ ２０ μｍ 的误差 。 例如 ，生命科学领域用户扫描细胞［１３ ，１４］ 时 ，通过显微镜确定扫描范围为整个细胞 ，扫描结束后发现
区范围的准确坐标 。离线显微镜为奥林巴斯 ＢＸ５１ 研究级正 置显微镜 ，采用奥林巴斯 ＤＰ７１ 高分辨率 ＣＣＤ 获取样品图 像 。载物台处安装的是美国 Ｌｕｄｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 的 Ｍ ａｃ ６０００ 电动平台 ，运动精度为 ０畅 １ μｍ 。 Ｌｕｄｌ 电动平台未配套 相应的控制软件 ，但可以使用串口命令进行控制 ，工作中基 于 ＶＣ ＋ ＋ 软件平台 ，编译了 Ｌｕｄｌ 电动平台的控制程序 。
关键词 硬 Ｘ 射线微探针 ；高精度样品定位 ；坐标转换 中图分类号 ：Ｏ４‐３３ 文献标识码 ：Ａ ＤＯＩ ：１０畅 ３９６４ ／ｊ畅 ｉｓｓｎ畅 １０００‐０５９３（２０１４）０２‐０５５７‐０５
引 言
细胞只完成了一半的扫描 ，必须重新实验 。 因此 ，急需一种 快速准确确定样品中微区扫描区域的定位系统 。
上海光源硬 Ｘ 射线微聚焦线站 （ＢＬ１５Ｕ１ ）是国内首条基 于第三代同步辐射光源的硬 Ｘ 射线微探针光束线 。它利用高 通量 、能量可调 的 单 色 微 束 Ｘ 射 线 ，开 展 Ｘ 射 线 荧 光 光 谱［１‐３］ 、 Ｘ 射线吸收精细结构谱［４ ，５］ 及 Ｘ 射线衍射谱［６‐８］ 的研 究 。目前 ，其空间分辨率可以达到 １ μｍ ，在生命科学 、 环境 科学 、 材料科学及纳米技术等领域均具有广泛的应用［９‐１１］ 。 科研工作者利用微束 Ｘ 射线研究物质微区特征时 ，快速寻找 微区研究对象是实验中最基本而又极其关键的问题 。
Ｚ１ ） ，（Ｘ２ ，Ｚ２ ） ，（Ｘ３ ，Ｚ３ ） 。将坐标代入式（１）和式（２） ，得到
ａ１ ｂ１ １ Ａ１ Ａ２
Ｘ１ Ｚ１
ａ２ ｂ２ １ Ｂ１ Ｂ２ ＝ Ｘ２ Ｚ２
（３）
ａ３ ｂ３ １ Ｃ１ Ｃ２
Ｘ３ Ｚ３
对方程求解 ，得 Ａ１ ，Ｂ１ ，Ａ２ ，Ｂ２ ，Ｃ１ ，Ｃ２ 的值 ，将值代 入式（１）和式（２） ，得到坐标转换公式 ，根据离线显微镜下任
倡 通讯联系人 ｅ‐ｍａｉｌ ：ｙｕｘｉａｏｈａｎ＠ ｓｉｎａｐ畅 ａｃ畅 ｃｎ
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光谱学与光谱分析 第 ３４ 卷
Ｆｉｇ畅 ２ Ｓａｍｐｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
１畅 １ 离线样品显微镜系统 离线样品显微镜系统实现样品的离线观察 ，获取样品微
Ｆｉｇ畅 １ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｈｕｔｃｈ
本工作设计一种用在 ＢＬ１５Ｕ１ 的高精度样品定位系统 ， 该系统由离线样品显微镜系统 、在线样品实验系统和高精度 定位样品架三部分组成 ，首次在国内同步辐射装置上快速 、 准确地实现微区样品的定位 。选用金网进行 Ｘ 射线荧光成像 实验 ，对比离线高倍显微镜下金网各结点的坐标 ，验证样品 离线定位方法的准确可靠 。
２ 结果与讨论
第一步为计算坐标转换公式 ，选取金网中某一区域进行 Ｘ 射线荧光成像 ，获得样品点的七轴样品台坐标 （Ｘ ， Ｚ） ；然 后 ，将样品移至离线显微镜下获得样品点 （ａ ，ｂ）坐标 。 实验 结果如图 ８ 所示 ，图 ８ （ａ ）和 （ｃ）为显微镜下金网图像 ，图 ８ （ｂ）和（ｄ）为其对应的 Ｘ 射线荧光成像图 ，选取 ３ 个样品点 ： Ｔ１ ［（２ ３３４ ， － ２ １２２ ） ， （５ ７９３ ， － ２ ６４７畅 ２ ）］ ， Ｔ２ ［（２ ３６５ ， ８２２ ） ，（４ ８２４ ， － ２ ６２８）］ ，Ｔ３ ［（２ ７５９ ，８２２） ，（５ １５５ ，３１２）］ 。
计算六个转换参数 ，再根据转换参数和式（１）和式（２） ，得到
Ｆｉｇ畅 ８ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｇｏｌｄ ｍｅｓｈ ｆｒｏｍ ｏｆｆｌｉｎｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ａ ，ｃ） ａｎｄ Ｘ‐ｒａｙ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍａｐｐｉｎｇ （ｂ ， ｄ） ． Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｈｒｅｅ ｇｏｌｄ ｍｅｓｈ ｎｏｄｅｓ （Ｔ１ — Ｔ３ ） ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｓａｍｐｌｅ ｐｏｉｎｔｓ
Ｆｉｇ畅 ７ Ｔｗｏ‐ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｆｉｇ畅 ９ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｇｏｌｄ ｍｅｓｈ ｆｒｏｍ ｏｆｆｌｉｎｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ａ） ａｎｄ Ｘ‐ｒａｙ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍａｐｐｉｎｇ （ｂ） ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｅｉｇｈｔ ｇｏｌｄ ｍｅｓｈ ｎｏｄｅｓ （Ｍ１ — Ｍ８ ） ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｓａｍｐｌｅ ｐｏｉｎｔｓ
硬 Ｘ 射线微米探针高精度样品定位系统
张继超 ，梁东旭 ，何 燕 ，李爱国 ，余笑寒 倡
中国科学院上海应用物理研究所 ，上海 ２０１８００
摘 要 介绍了上海光源硬 Ｘ 射线微聚焦光束线站（ＢＬ１５Ｕ１）的高精度样品定位系统 。该系统由离线样品显 微镜系统 、在线样品实验系统和高精度定位样品架三部分组成 。 通过编译控制程序 、 样品架定位 、 坐标转 换 ，将样品的在线 Ｘ 射线荧光成像实验和离线显微镜观察进行有效结合 ，首次在国内同步辐射装置上实现 样品在微米范围内的快速离线定位 。该系统帮助科研工作者在利用微束 Ｘ 射线研究物质微区特征时 ，快速 准确地寻找微区研究对象 。利用金网进行 Ｘ 射线荧光成像实验 ，对比离线高倍显微镜下金网各结点的坐标 ， 对样品定位系统的精度进行验证 。结果表明 ，该样品定位系统在 Ｘ 方向的平均误差为 １畅 ３ μｍ ， Ｚ 方向的平 均误差为 ２畅 ５ μｍ 。该系统不仅简便快速 、准确可靠 ，节约宝贵的实验时间 ，也为同步辐射微聚焦线站开展样 品自动对焦方法提供技术前提 。
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光谱学与光谱分析 第 ３４ 卷
将 Ｔ１ ， Ｔ２ ， Ｔ３ 点坐标分别输入坐标转换程序 ，如图 ７
所示 ，计算六个转换参数 Ａ１ ， Ｂ１ ， Ａ２ ， Ｂ２ ， Ｃ１ ， Ｃ２ ，将转换
任意样品点的定位坐标 。 １畅 ４ 实验 选取金网进行 Ｘ 射线荧光成像 ，对比离线显微镜下金网 各结点的坐标 ，对样品定位系统的精度进行验证 。 将金网剪 成三部分 ，粘贴在样品框上 ，金丝直径约为 ４ μｍ ，金丝交叉 的孔约为 １２ μｍ × １２ μｍ 。 Ｘ 射线能量为 １２ ｋｅＶ ，激发金的 Ｌ３ 边（１１畅 ９１８ ｋｅＶ ） ，扫描光斑为 ５ μｍ × ５ μｍ ，扫描步长为 １ μｍ × １ μｍ ，扫描区域为 １００ μｍ × １００ μｍ 。
Ｆｉｇ畅 ６ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｏｆｆｌｉｎｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ａ） ａｎｄ ７‐ａｘｉｓ ｓａｍｐｌｅ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｈｕｔｃｈ （ｂ）
设已知三个样品点在离线显微镜下的坐标为 （ ａ１ ， ｂ１ ） 、
（ａ２ ，ｂ２ ） 、 （ ａ３ ， ｂ３ ） ，相 对 应 的 七 轴 样 品 台 上 坐 标 为 （ Ｘ１ ，
控制程序的串口通信模块运用 Ｍ ＦＣ 类库中的 Ｍ ＳＣｏｍｍ （Ｍ ｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ，微软通信控件 ）控件［１５］ 进行开发 ，采用事件驱动方式来触发消息响应 ，实现电机位 置信息的采集和控制指令的发送 。 Ｌｕｄｌ 电动平台的控制流程 如图 ３ 所示 。
间的坐标转换 。如图 ６ 所示 ，离线显微镜上样品点坐标为（ａ ，
ｂ） ，七轴样品台上样品点坐标为 （Ｘ ， Ｚ） ，同一样品点从 （ ａ ，
ｂ）转换为（Ｘ ，Ｚ）的转换公式
Ｘ ＝ Ａ１ ａ ＋ Ｂ１ ｂ ＋ Ｃ１
（１）
Ｚ ＝ Ａ２ ａ ＋ Ｂ２ ｂ ＋ Ｃ２
（２）
其中 ，Ａ１ ，Ｂ１ ，Ａ２ 和 Ｂ２ 为转换系数 ，Ｃ１ 和 Ｃ２ 为常数 。
意样品点的坐标计算相对应的七轴样品台上的坐标 。
为减少实际实验时的计算时间 ，根据式 （１） — 式 （３ ）编写
了坐标转换程序 ，如图 ７ 所示 。根据已知三点坐标 （ａ１ ，ｂ１ ） ，