CN111239170B - 一种测量微量元素的x射线检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量微量元素的X射线检测装置，包括设置在待测样品同侧的第一X射线源、X射线聚焦镜和第一X射线探测器。还包括预扫描机构，其包括第二X射线源和第二X射线探测器，第二X射线源发出的X射线光斑大，第二X射线探测器接收由第二X射线源激发微量元素发出的X射线荧光。还在待测样品另一侧设置第三X射线探测器，实现透射式X射线测量。还公开一种测量微量元素的X射线检测方法。本发明通过增加预扫描步骤，快速得出微量元素分布图像，再通过智能分析***，自行确定精确扫描点，然后进行背散射式单点测量，提高效率，实现全自动运行。还通过设置第三X射线探测器，增加透射式测量，由单面测量改为双面测量，大大提高测量效率。

Description

一种测量微量元素的X射线检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及微量元素检测领域，特别是涉及一种测量微量元素的X射线检测装置及检测方法。
背景技术
微量元素在生物体内有不可替代的作用，微量元素在人体内的存在量关系到很多疾病，例如帕金森症，老年痴呆和癌症。生物体内微量元素太少或太多都可能会影响生物功能和造成疾病。例如，最新医学发现，癌细胞内部的微量元素及其周围细胞组织的微量元素分布与正常细胞有很大不同。
现有医学技术中有使用金属纳米粒治疗癌症的做法，如金、钛纳米粒子附着在一定的蛋白质上植入癌细胞，然后进行放射性治疗，效果提高40％以上。使用纳米粒子治疗癌症是一个全新的领域，纳米粒子注射量、纳米粒子的最佳直径，纳米粒子在癌细胞附近的存在量等等，都需要通过测量细胞组织里的微量元素来研究。
X射线分析技术在分析生物样品时不需要样品准备，能够方便快速地测量生物样品微量元素，是目前生物医学首选的测量细胞组织微量元素的方法。生物医学微量元素测量对X射线仪器性能的要求，最重要的是三点：(1)高测量速度，(2)小测量光斑(即细X射线束)，(3)高测量灵敏度。目前能够满足以上三个要求最好的是电子同步加速器。但世界各国只有有限的几台电子同步加速器可供使用，由于用户多，远远不能满足测量需求。
现有高精度台式X射线仪器测量生物样品时，一般是对生物组织的生物切片进行测量。动物的生物组织切片约几十个平方毫米面积，10～50微米厚度，测量微量元素时，切片放置在超薄薄膜上，放在X射线束下测量。切片上的细胞组织内部包括多种微量元素，如磷、硫、铁、铜、锌、钆(P，S，Fe,Cu,Zn,Gd)等元素含量的两维分布被逐点扫描测量得到。逐点扫描的步长根据需要的图像分辨率设置，通常是几个微米左右(一般为每4个微米测量一个点)，每个位置上测得微量元素含量在PPM(百万分之一)量级。各种元素的两维分布位置不是均匀分布，并且在生物组织的切片测量之前，其上的微量元素分布未知，检测人员需要逐点扫描得到。由于逐点扫描的步长很小(通常几个微米左右)而每个点需要一定的测量时间，当扫描几十个平方毫米的生物切片时，测量时间会很长。例如，当扫描1平方毫米的面积，扫描步长10微米，既需要测量1万个点，如果每个点如果测量时间3秒(为了达到一定的测量精度，测量时间不能太短)，则需要8.3个小时。所以不可能在几十个平方毫米的生物切片上每点都测量，通常需要医学专业人员，在切片的各个部位小范围试测量，根据测量数据选择相关部位再详细测量。而测量区域的选择往往需要用相当多的时间，浪费人力和测量时间，所以测量时间是生物组织微量元素测量的瓶颈。
由此可见，上述现有的高精度台式X射线仪器用于检测生物切片中微量元素仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的测量微量元素的X射线检测装置及检测方法，使其大大缩短测量时间和减少人工选择时间，能实现粗扫描和精细扫描的结合，大大提高检测效率，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量微量元素的X射线检测装置，使其大大缩短测量时间和减少人工选择时间，能实现粗扫描和精细扫描的结合，大大提高检测效率，从而克服现有的高精度台式X射线仪器的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种测量微量元素的X射线检测装置，包括设置在待测样品同侧的第一X射线源和第一X射线探测器，所述第一X射线源与待测样品之间还设置有X射线聚焦镜，所述第一X射线探测器用于接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光，还包括预扫描机构，所述预扫描机构包括第二X射线源和第二X射线探测器，所述第二X射线源发出的X射线照射在所述待测样品上的光斑较所述第一X射线源发出的X射线照射的光斑大，所述第二X射线探测器用于接收由所述第二X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光。
进一步改进，所述第二X射线源采用窗式靶X射线源或终端靶式X射线源。
进一步改进，所述第二X射线源包括多个，多个所述第二X射线源采用不同角度固定的方式分布式设置，且多个所述第二X射线源照射待测样品的同一区域。
进一步改进，所述预扫描机构还包括温度监测机构，所述温度监测机构包括控制器和与其连接的多个温度传感器，多个所述温度传感器分别与多个分布式所述第二X射线源一一对应连接，用于分别检测所述第二X射线源的温度，所述控制器根据每个温度传感器的温度信号分别控制一个或多个所述第二X射线源的开启和关闭。
进一步改进，所述第二X射线探测器采用超导量子干涉仪热度计或CCD X射线探测器。
进一步改进，所述第二X射线探测器与所述待测样品之间设置有编程多孔径准直器。
进一步改进，所述X射线检测装置还包括智能分析***和机械传动***，
所述智能分析***包括依次连接的人工智能图像识别模块、数据处理模块和控制模块，
所述人工智能图像识别模块与所述第二X射线探测器连接，用于接收所述第二X射线探测器采集的数据，并对数据信号进行图像识别，传送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块，用于对图像识别结果进行分析处理，得出所测样品中微量元素的分布区域，并将结果发送至所述控制模块；
所述控制模块与所述机械传动***连接，用于根据所述微量元素的分布区域结果控制所述机械传动***带动待测样品进行XYZ轴方向的移动，以便实现所述第一X射线源的精细扫描。
进一步改进，所述第二X射线源和第二X射线探测器设置在所述待测样品的同一侧，且所述第二X射线源与第一X射线源分别设置在所述待测样品的两侧。
进一步改进，所述第一X射线源采用反射式X射线靶，所述X射线聚焦镜采用双抛物线聚焦镜片，所述第一X射线探测器采用硅漂移探测器，且所述第一X射线探测器包括多个，分别设置在所述第一X射线源X射线照射靶点的周边。
进一步改进，与所述第一X射线探测器相对应的所述待测样品的另一边还设置有第三X射线探测器，所述第三X射线探测器用于同时接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光。
进一步改进，所述第三X射线探测器包括多个，分别设置在所述第一X射线源X射线照射靶点的周边。
本发明还提供一种测量微量元素的X射线检测装置，包括设置在待测样品同侧的第一X射线源和第一X射线探测器，所述第一X射线源与待测样品之间还设置有X射线聚焦镜，所述第一X射线探测器用于接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光，在所述待测样品另一侧还设置有第三X射线探测器，所述第三X射线探测器用于同时接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光。
进一步改进，所述X射线聚焦镜采用双抛物线聚焦镜片。
进一步改进，所述第一X射线源采用反射式X射线靶，所述第一X射线探测器和第三X射线探测器均采用硅漂移探测器，且所述第一X射线探测器和第三X射线探测器均包括多个，分别设置在所述第一X射线源X射线照射靶点的周边，用于实现背散射式和透射式X射线荧光的同时测量。
本发明还提供一种测量生物切片中微量元素的X射线检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
(1)采用X射线源发射的X射线对生物切片进行大面积粗扫描，激发扫描区域内微量元素发射出X射线荧光，通过X射线探测器检测，得到所述扫描区域内微量元素的分布图像；
(2)根据步骤(1)得出的所述微量元素的分布图像，结合微量元素在生物组织中的分布特性，确定出所述微量元素在生物切片中的分布区域；
(3)根据步骤(2)得出的所述微量元素的分布区域，再通过机械传动***带动所述生物切片进行XYZ轴方向的移动，采用X射线背散射式单点测量方法实现对微量元素的精细测量。
进一步改进，所述生物切片的厚度为10～50微米，所述生物切片放置在超薄薄膜上，且所述超薄薄膜在机械传动***作用下带动所述生物切片实现XYZ轴方向的移动。
进一步改进，所述步骤(3)中精细测量采用X射线背散射式单点测量和透射式测量相结合的方法实现。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1.本发明通过在使用背散射式单点测量待测样品某个特定区域之前，增加大面积粗扫描步骤，能实现对待测样品的预扫描，由于预扫描方式的X射线光斑面积大，激发的被测量元素的X射线由2维X射线探测器被同时多路测量，大大缩短了扫描测量待测样品的时间，快速得出微量元素的分布区域，然后再进行准确可靠的单点测量，节省现有测量中医学人员需要花费大量选择测量区域的时间，测量效率大幅度提升。
2.本发明还通过采用分布式第二X射线源，促进了窗式靶X射线源的散热，又增加X射线源强度，提高测量灵敏度，减少测量时间。
3.本发明还通过采用2维探测器，以及在2维探测器前加设编程多孔径准直器，能实现多路X射线荧光的同时测量，并快速得出生物切片上激发的X射线的位置，增加分辨率，提高效率。
4.本发明还通过设置与预扫描机构相结合的智能分析***，在预扫描得出微量元素的分布区域后，自行确定精确扫描点，能实现该装置的全自动运行，提高测量精度和测量速度。
5.本发明还通过在第一X射线源的生物切片对侧设置第三X射线探测器，充分利用X射线荧光4π立体角发射的特性，实现透射式测量，由单面测量改为双面测量，极大的增加了探测立体角，改进测量效率，减少测量时间。
6.本发明还通过改用双抛物线聚焦镜片，不仅使X射线光斑更小，更重要的是增加工作距离，提供更多的空间设置X射线探测器，则通过增加多个X射线探测器，同时接收X射线荧光，增加收集角度，改进探测效率。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是现有台式X射线仪器的检测原理示意图。
图2是本发明测量微量元素的X射线检测装置的检测原理示意图。
图3是本发明测量微量元素的X射线检测装置测量生物切片中磷、硫、锌元素的含量分布图。
具体实施方式
本申请是针对现有高精度台式X射线仪器的改进，使得每个用户可以在自己的实验室内方便的进行微量元素的测量，减少或不需要在电子同步加速器上测量样品，方便且成本大大降低。本实施例以对动物组织生物切片中微量元素的检测为例，对本申请技术方案进行详细叙述，不应理解为是对本申请的任何限制。具体的实施例如下。
参照附图1所示，现有高精度台式X射线仪器包括设置在生物切片106同侧的第一X射线源102和第一X射线探测器104。该第一X射线源102与生物切片106之间还设置有X射线聚焦镜103，该第一X射线探测器104用于接收由该第一X射线源102发出的X射线112激发的生物切片106中微量元素发出的X射线荧光105。
该高精度台式X射线仪器还包括图像传感器101和机械传动***107。该图像传感器101与X射线探测器104连接，用于获取被测样品的图像，可显示在计算机荧光屏上，帮助给生物切片106定位。该机械传动***107用于控制生物切片106下部的超薄薄膜移动，进而带动生物切片做XYZ轴三个方向的移动，以使被测量区域移动至X射线束下进行测量。
现有高精度台式X射线仪器的X射线源102和X射线探测器104都在生物切片106的同一边，X射线源102发出的X射线112经过X射线聚焦镜103聚焦，聚焦成微米或几十微米直径的圆形X射线光斑照射在生物切片106上激发样品组成元素发出X射线荧光105，X射线荧光被X射线探测器104接收，经过计算机程序处理，得到生物组织中微量元素的含量。则现有高精度台式X射线仪器采用的是X射线背散射式单点测量方法，即每次只能测量X射线光斑面积的样品。该方法优点是测量位置分辨率高，缺点是被测样品需要逐点依次测量，样品测量的时间是单点测量时间的叠加，耗时太长，效率太低。
本实施例的改进点在于，还包括预扫描机构。参照附图2所示，该预扫描机构包括第二X射线源108和第二X射线探测器111。该第二X射线源108发出的X射线109照射在该生物切片106上的光斑较该第一X射线源102发出的X射线112照射的光斑大，该第二X射线探测器111用于接收由该第二X射线源108激发的生物切片106中微量元素发出的X射线荧光。
为了加强第二X射线源108的X射线光斑强度，本实施例中该第二X射线源108采用窗式靶X射线源或终端靶式X射线源。该第二X射线源108由于出射立体角大，照射在生物切片106上的光斑面积可达毫米或几十平方毫米，使更大面积的生物切片106上的被测量元素同时被激发，达到粗扫描的效果。
但该窗式靶X射线源或终端靶式X射线源存在的最大瓶颈是散热。
本实施例采用分布式X射线源，克服散热不佳的问题。具体实施例是包括多个第二X射线源108。多个第二X射线源108采用不同角度固定的方式集中设置，使多个第二X射线源108照射生物切片106的同一区域。
进一步改进在于，该预扫描机构还包括温度监测机构。该温度监测机构包括控制器和与其连接的多个温度传感器，多个该温度传感器分别与多个分布式该第二X射线源108一一对应连接，用于分别检测该第二X射线源108的温度。该控制器根据每个温度传感器的温度信号分别控制一个或多个该第二X射线源108的开启和关闭。如当一个温度传感器测量得到与其对应的X射线源铍窗温度达到预定值时，如70摄氏度，切换至下一个窗式靶X射线源开启。这样X射线源的分布式设置能促进X射线源的散热，增加X射线源强度，提高测量灵敏度，减少测量时间。
本实施例中该第二X射线探测器111采用超导量子干涉仪热度计(SQUID micro-calorimeter)或CCD X射线探测器等2维探测器，有多达1024*1024个X射线探测单元，能多路同时测量生物切片106上多点激发的X射线。
并且由于被测量元素激发的X射线是各向同性分布，生物切片上同一点的激发X射线可能会被2维X射线探测器的多个探测单元接收到，从而造成位置分辨的不准确性。本实施例中该第二X射线探测器111与该生物切片106之间还设置有编程多孔径准直器110。
该编程孔径准直器110是按照一定编程方式组成的开放和闭合小孔。生物切片106上同一点的激发X射线在通过开放的小孔时，会被2维X射线探测器的相应探测单元接收到。反之，在经过闭合小孔时，X射线就会被阻挡，不能被探测单元接收到。探测时间结束时，2维X射线探测器的每个探测单元接受到的X射线光子数目再和编程多孔径准直器开闭小孔的位置进行卷积运算，可以得到生物切片106上激发的X射线位置，增加了分辨率。
进一步改进在于，该X射线检测装置还包括智能分析***和机械传动***。
该智能分析***包括依次连接的人工智能图像识别模块、数据处理模块和控制模块。
该人工智能图像识别模块与该第二X射线探测器111连接，用于接收该第二X射线探测器111采集的数据，并对数据信号进行图像识别，传送至该数据处理模块。
该数据处理模块，用于对图像识别结果进行分析处理，得出所测样品中微量元素的分布区域，并将结果发送至该控制模块。
该控制模块与该机械传动***连接，用于根据该微量元素的分布区域结果控制该机械传动***107带动生物切片106进行XYZ轴方向的移动，以便实现该第一X射线源102的精细单点扫描。
为了便于该检测装置的几何结构设置，本实施例中该第二X射线源108与第一X射线源102分别设置在该生物切片106的两侧，且该第二X射线源108和第二X射线探测器111设置在该生物切片106的同一侧，利于各部件合理设置，减少装置体积。
还有，本实施例中该第一X射线源102采用反射式X射线靶，该第一X射线探测器104采用硅漂移探测器。该X射线聚焦镜103采用双抛物线聚焦镜片(Twin Parabolic X-raymirror lens)。该双抛物线聚焦镜片相比目前多数台式X射线仪器使用的多重毛细管聚焦(polycarpellary optics)，光斑更小(<8微米)，聚焦后的X射线光斑能量分布均匀，工作距离可以达到5厘米，具有更多的空间安装X射线探测器104。
所以，为了提高探测效率，本实施例又一改进点在于，包括多个第一X射线探测器104，分别设置在该第一X射线源102X射线照射靶点的周边，增加收集角度，改进探测效率。
还由于生物切片106很薄，约10个微米左右，而X射线的能量完全可以穿透，故本申请又一改进点在于，在与该第一X射线探测器104相对应的该生物切片106的另一边还设置有第三X射线探测器113，该第三X射线探测器113用于同时接收由该第一X射线源102激发的生物切片106中微量元素发出的X射线荧光105。
并且，该第三X射线探测器113同样可以设置多个，分别设置在该第一X射线源102的X射线照射靶点的周边，进一步提高探测效率，大大缩短检测时间。则本申请能实现背散射式单点测量与透射式测量的结合，使单面测量改为双面测量，测量时间大大降低。
基于上述测量生物切片中微量元素的X射线检测装置，其X射线检测方法包括如下步骤：
(1)采用X射线源108发射的X射线109对生物切片106进行大面积粗扫描，激发扫描区域内微量元素发射出X射线荧光，通过X射线探测器111检测，得到该扫描区域内微量元素的分布图像；
(2)根据步骤(1)得出的该微量元素的分布图像，结合微量元素在生物组织中的分布特性，确定出该微量元素在生物切片106中的分布区域；
其中，微量元素在生物组织中的分布特性，如磷元素通常分布在细胞壁上，硫和铁元素通常分布在细胞内部。
(3)根据步骤(2)得出的该微量元素的分布区域，再通过机械传动***带动该生物切片进行XYZ轴方向的移动，指示生物切片的确定位置移动至背散射测量的X射线束下，并划定测量范围，采用X射线背散射式单点测量和透射式测量相结合的方法实现对微量元素的精细测量。
本实施例采用上述用于生物切片中微量元素测量的X射线检测方法，对生物样品小白鼠生物组织内的磷元素(P)、硫元素(S)和锌元素(Zn)进行含量测量，其P、S、Zn元素的测量图像分布如附图3所示。
从图3可知，由于磷元素通常分布在细胞壁上，则根据图3中磷元素分布图像呈环状分布，则表明环形区域有可能就是各个细胞所在的位置。还有，由于硫元素通常分布在细胞内部，则根据图3中硫元素分布图像呈片状分布，并且被环状磷元素环绕，则更进一步确定细胞的所在位置，为精细扫描提供强有利支持。
另外，本申请X射线检测装置还可以用于其他工业和科学领域材料分析，改善目前国内高精度X射线谱仪都依赖进口的局面。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量微量元素的X射线检测装置，包括设置在待测样品同侧的第一X射线源和第一X射线探测器，所述第一X射线源与待测样品之间还设置有X射线聚焦镜，所述第一X射线探测器用于接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光，其特征在于，还包括预扫描机构，所述预扫描机构包括第二X射线源和第二X射线探测器，所述第二X射线源发出的X射线照射在所述待测样品上的光斑较所述第一X射线源发出的X射线照射的光斑大，所述第二X射线探测器用于接收由所述第二X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光；
所述第一X射线源采用反射式X射线靶，所述X射线聚焦镜采用双抛物线聚焦镜片，所述双抛物线聚焦镜片用于产生小于8μm的光斑，且聚焦后的X射线光斑能量分布均匀，工作距离达到5cm；
所述第二X射线源采用窗式靶X射线源或终端靶式X射线源，且所述第二X射线源与第一X射线源分别设置在所述待测样品的两侧，所述第二X射线源包括多个，多个所述第二X射线源采用不同角度固定的方式分布式设置，且多个所述第二X射线源照射待测样品的同一区域；
所述预扫描机构还包括温度监测机构，所述温度监测机构包括控制器和与其连接的多个温度传感器，多个所述温度传感器分别与多个分布式所述第二X射线源一一对应连接，用于分别检测所述第二X射线源的温度，所述控制器根据每个温度传感器的温度信号分别控制一个或多个所述第二X射线源的开启和关闭；
所述X射线检测装置还包括智能分析***和机械传动***，所述智能分析***包括依次连接的人工智能图像识别模块、数据处理模块和控制模块，
所述人工智能图像识别模块与所述第二X射线探测器连接，用于接收所述第二X射线探测器采集的数据，并对数据信号进行图像识别，传送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块，用于对图像识别结果进行分析处理，得出所测样品中微量元素的分布区域，并将结果发送至所述控制模块；
所述控制模块与所述机械传动***连接，用于根据所述微量元素的分布区域结果控制所述机械传动***带动待测样品进行XYZ轴方向的移动，以便实现所述第一X射线源的精细扫描。
2.根据权利要求1所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，所述第二X射线探测器采用超导量子干涉仪热度计或CCD X射线探测器。
3.根据权利要求2所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，所述第二X射线探测器与所述待测样品之间设置有编程多孔径准直器。
4.根据权利要求1所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，所述第二X射线源和第二X射线探测器设置在所述待测样品的同一侧。
5.根据权利要求1所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，所述第一X射线探测器采用硅漂移探测器，且所述第一X射线探测器包括多个，分别设置在所述第一X射线源X射线照射靶点的周边。
6.根据权利要求5所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，与所述第一X射线探测器相对应的所述待测样品的另一边还设置有第三X射线探测器，所述第三X射线探测器用于同时接收由所述第一X射线源激发的待测样品中微量元素发出的X射线荧光。
7.根据权利要求6所述的测量微量元素的X射线检测装置，其特征在于，所述第三X射线探测器包括多个，分别设置在所述第一X射线源X射线照射靶点的周边。
8.一种测量生物切片中微量元素的X射线检测方法，其特征在于，所述检测方法应用权利要求1至7任一项所述的测量微量元素的X射线检测装置，包括如下步骤：
(1)采用X射线源发射的X射线对生物切片进行大面积粗扫描，激发扫描区域内微量元素发射出X射线荧光，通过X射线探测器检测，得到所述扫描区域内微量元素的分布图像；
(2)根据步骤(1)得出的所述微量元素的分布图像，结合微量元素在生物组织中的分布特性，确定出所述微量元素在生物切片中的分布区域；
(3)根据步骤(2)得出的所述微量元素的分布区域，再通过机械传动***带动所述生物切片进行XYZ轴方向的移动，采用X射线背散射式单点测量方法实现对微量元素的精细测量。
9.根据权利要求8所述的测量生物切片中微量元素的X射线检测方法，其特征在于，所述生物切片的厚度为10～50微米，所述生物切片放置在超薄薄膜上，且所述超薄薄膜在机械传动***作用下带动所述生物切片实现XYZ轴方向的移动。
10.根据权利要求9所述的测量生物切片中微量元素的X射线检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中精细测量采用X射线背散射式单点测量和透射式测量相结合的方法实现。
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