近来的技术进步所产生的分辨力比光学星微镜强10倍的“软”X射线显微镜为人们提供了一种观察细微结构和进行化学分析的新方式

显微技术的每一个进展都为科学家提供了对生物组织的功能以及物质本性的新透视方法，十六世纪末光学显微镜的发明使人们能够观察单细胞动植物体；20世纪初X射线晶相学的发展使人们首次获得原子水平的物质图像；之后几十年电子显微镜的发明使人们可以直接观察病毒等的表面结构，近来出现的不用光或电子而是用X射线的另一种类型的显微镜为人们提供了一种更深入地了解自然界的洞察细微的方法。

这种新的X射线显微镜显著地改进了光学显微镜的分辨能力，也可用来显示物质中某些元素的分布；它可具有在极短时间里形成三元影像的能力，它与常规电子显微镜的不同点有：X射线显微术可以将样品量子空气里和水里，这意味着人们能在类似自然状态。的条件下研究生物样品，它使用波长在20~40埃（1埃是1亿分之1厘米）范围内的所谓软X射线，这种射线有穿透能力能给出完整的生物细胞影像。

自18的年X射线被发现后，因其具有穿透固体物质的能力，人们就企图将它用于显微术。然而，人们很快发现X射线不像可见光那样折射和反射，到20世纪初，人们确认它是一种电磁波，其波长比可见光的短得多，这个发现意味着X射线显微术有可能提供高分辨能力，而生物学家需要高分辨力的显微镜来揭示细胞的构造与功能。

早期的X射线显微术用照相底片作为观察手段，而照相底片的粒子大小限制了分辨力的提高，所以必须发展一种能聚焦X射线的影像系统，1923年，人们发现 X射线能以一个小的接触角从高度抛光的表面反射。从40年代末开始人们试图以此来使X射线聚焦并获得放大了的影像，但当时的技术水平不能实现这个目的。直到70年代，由于几个主要的技术进展，才使X射线显微镜的产生成为可能。其中最重要的是新X射线辐射源的发展。过去10年里，以同步加速器辐射为基础的X射线源的亮度有迅速进展，其强度是原来使用的X射线管发射强度的数百万倍。同时，由于X射线激光和等离子体的发展，以单个脉冲就有足量的X射线在1纳秒（10亿分之1秒）内形成影像。

其次，X射线检测器也得到很大改进。人们应用了电子检测器，并且用一种廉价的塑料薄层作为抗蚀材料，当其暴露于电子或X射线时产生蚀刻变化，以这种材料来代替照相底片，分辨力能提高近100倍。

另一个重要进展是成功地应用Fresnel波带片来聚焦X射线 · 波带片是由交替透明与不透明的圆环组成的圆形光栅，离中心的距离越远，圆环间的距离越小，当波束通过透明圆环时被衍射而得以聚焦。一个波带片的分辨力大致等于其圆环间的最小间隔。因此，要超过光学显微镜的分辨力，这个间隔必须比光的波长小得多，这是常规的光学加工技术所无法实现的。但是，通过应用在制作微电路时发展起来的方法，人们已作出最小间隔为300埃的波带片，这只有可见光波长的二十分之一。用于X射线的波带片直径约为0.1毫米，适用于波长大于5埃的X射线。

目前出现的X射线显微镜有四种类型，即接触型、成像型、扫描型和全息型，均各有特点。

接触型是开发得最充分的一种。它用PMMA作为抗蚀材料，然后以电子显微镜来观察在该材料里X射线录下的影像。这种方法比较简单和方便。

成像型是用聚焦系统将影像放大数百倍，然后将此影像记录下来。聚焦时用分辨力高的Fresnel波带片。这个方法的优点是可以照射整个样品并立即成像，迅速得到照片。这有助于解决由于生物样品运动所产生的影像不清晰问题以及最大限度地减少对样品的辐射损伤。这些特点都使得它适合于实际应用。

扫描法所得到的影像非常类似电视屏上的图像，它通过一个波带片把X射线束聚焦为一个小细点，由该聚焦点对样品进行扫描，其分辨力为点的大小所确定。这个方法的显著特点是易于用计算机来控制和分析。它也最大限度地减少样品在破坏性的辐射里的暴露时间，然而，这种方法需要一个大型的同步加速器辐射设施来产生相干的软X射线束。

全息法是基于波的干涉原理。它不需要聚焦装置，但需要一个强的相干X射线源和高分辨力的记录材料，可获得样品的三元全息影像。最近，法国、日本和美国的科学家都已获得了高分辨力的X射线全息图。

目前，X射线显微镜的应用已卓有成效。人们用它来考察种类繁多的样品：从被重金属沾污了的蚯蚓到人体里的癌细胞；从洋地黄表皮的细毛到煤炭、半导体器件和混凝土的养护。许多新成立的研究中心在探索这种显微镜的能力和应用。

同一样品的X射线影像和电子显微图看起来不一样。这是由于X射线显微镜对特定的元素，常常是碳和氦，较为敏感；而电子显微镜则是将样品染色后显示出其中化学族的分布。它们分别描述出该样品结构的两个不同方面。

一般说，X射线显微镜与电子显微镜有相互补充的特点，电子显微镜可达到极高的分辨力（2~20埃）；现有X射线显微镜的分辨力是在几百埃的量级，即使对软X射线，由于其基本的衍射限度（X射线半波长），它的分辨力也不可能优于10~20埃。所以，X射线显微镜的主要贡献不在于提高分辨力而是对生物体不加修饰地在接近自然状态的条件下进行定量测试的能力。在用电子显微镜作研究时必须对样品作显著的化学或物理修饰才行。在一些场合，由于X射线成像的制备和辐照条件较温和，使测量后的样品仍能对一定的外加刺激育反应。对这些样品可以拍出一系列的照片，能区别出哪些变化属于所要研究的内容，哪些变化是因X射线的照射所引起的。

X射线显微镜的一个重要特点是能显示出样品中含的一个特定元素。各元素吸收X射线的方式不同，当所用X射线波长在23~44埃之间时，它能透过水分子。人们称这一部分X射线谱为水窗。在大多数细胞质里水的含量占四分之三左右，所以通过水窗来揭示某种特性，在生物显微学里是相当有用的。

X射线与物质作用的方式使人们可以用X射线显微镜来进行一个样品详尽的、定量的密度和化学成分测量，每个元，素都存在一个临界X射线能量，这个能量使其电子刚好脱离束缚而获得自由。人们称此能量为该元素的吸收边界。只有能量等于和大于吸收边界的X射线才能有效地为该元素吸收。通过在低于和高于某元素吸收边界的X射线能量处对样品成像，然后从后者减去前者可展现出它在样品里的分布。这种技术使X射显微图具有超级的信噪比，而对生物样品的损伤却较小。若用闪光法很快成像的话，能把辐射损伤减至最低。因此，可以用X射线显微镜来研究未加保护的天然生物材料并获得分辨力优于光学显微镜的影像。

X射线显微镜的发展前景如何？从提高分辨力方面考虑，目前所用的抗蚀材料PMMA，由于其分子大小所限，其分辨力不会优于100埃。如果能像X射线晶相学那样，做到分辨力等于所用X射线波长的一半；那么对应本文所考虑的X射线，相当于分辨力为10~20埃。另一个发展是所谓的相位差X射线显微术，它应用新的同步加速器辐射源，在波长较短的X射线范围内3行快速成像，以降低辐射量。

现在，X射线显微术不仅用于生命科学，而且已在表面科学和痕量元素分析中得到应用。将一个样品的高分辨力X射线影像与其光电子光谱结合起来考虑，可揭示该样品的元素分布以及表面的化学键状态。在诸如催化剂和半导体器件等有关多相表面的研究领域，也已得出高分辨力的X射线影像。因此，X射线显微镜的发展和应用前景是乐观的。

[Scientific American，1991年No.2]