剖析内部结构：计算机断层扫描技术及其衍生方法

计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）技术的核心，是基于一系列精密的数学变换。其目标是从一组一维的强度分布数据 p(r,θ) 中，重构出物体内部的二维分布函数 f(x,y)（例如，物体对射线的吸收系数分布）。实现这一过程，需要一个发射源从不同角度 θ 发出射线束，并由探测器接收其穿透物体后的强度信息，其几何原理如图1所示。通过对物体连续的横截面进行扫描，获得一系列二维断层图像，再将这些图像堆叠起来，便能最终构建出整个物体的三维模型。

图1 计算机断层扫描技术几何原理示意图

X射线计算机断层扫描 (XCT)

当使用X射线作为发射源时，这种技术便是我们熟知的X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography, XCT）。XCT不仅是临床诊断的常规设备，在材料分析领域也扮演着重要角色。在XCT系统中，射线束通过旋转扫描角度 θ 而非扫描位置 r 来获取数据。目前，先进X射线CT的分辨率可达约1 μm，与光学显微镜（OM）的分辨率相当。

磁共振成像 (MRI)

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI），或称为核磁共振断层扫描（NMR-CT），同样是临床诊断的常用技术。MRI的原理与XCT截然不同。它依赖于这样一个物理现象：当核磁共振（NMR）中施加的磁场存在一个预设的梯度（即磁场强度随空间位置变化）时，NMR信号的共振频率便与原子核所处的位置产生了依赖关系。这种与空间位置 r 相关的NMR信号频率，构成了重构所需的一维分布函数 p(r,θ)，其中的角度 θ 则由磁场梯度的方向决定。

三维透射电子显微镜 (3D-TEM)

尽管X射线晶体学能够提供原子级别的结构信息，但其应用前提是能够获得高质量的分子晶体阵列，并结合相应的相位信息对衍射数据进行解析。对于生物大分子而言，一个更棘手的问题是结晶过程本身可能会改变分子的天然构象，使其与在自然环境中发挥功能时的状态大相径庭。

为了突破这些限制，三维透射电子显微镜（3D-TEM）技术应运而生。在单颗粒电子显微分析中，通过采集单个大分子（分子量 > 250,000 Da）在多个不同取向下的TEM图像，可以重构出其分辨率在1-2.5 nm的三维结构。实践中，为了减轻电子束辐照对样品的损伤，通常采用冷冻电镜技术，并同时对大量样品分子（对于生物分子，通常包埋在非晶冰中）进行观测，以克服信噪比低的难题。图2展示了利用3D-TEM技术获得的自组装三嵌段共聚物的三维渲染图像。

图2 自组装三嵌段共聚物聚(苯乙烯-b-异戊二烯-b-苯乙烯)的3D-TEM图像。盒子尺寸为 270nm × 270nm × 210nm。图像由计算机控制的JEOL JEM-2200FS在200kV下采集，倾转角范围从-60°到60°，步长1°，共采集120张数字图像。

3D-TEM非常适用于非晶态固体材料的分析，但对于晶体样品则效果不佳。这是因为在晶体样品中，TEM图像对衍射条件极为敏感，微小的角度变化都可能导致图像衬度剧烈改变，使得简单的三维重构算法难以实施。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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图3 大鼠肾脏组织的X射线相衬成像图。图中清晰地显示了组织中的肾小管，其中一部分被蛋白质（T）堵塞。肾小球（G）的结构也得以显现。