AS期刊：月球样品的彩色三维成像

近日，西安交通大学雷铭团队使用高分辨彩色三维显微系统，首次对模拟月壤和月球陨石NWA 11474标本进行了大视场彩色三维成像，获得了样品表面的高分辨彩色三维形貌。该技术为无损分析嫦娥五号月壤提供了一种新思路，有望成为进一步探究月球地质演化过程的新工具。相关研究成果发表于国际光谱学专业学术期刊《Atomic Spectroscopy》“Microanalytical Techniques for Extraterrestrial Samples (Part I)”专辑上（Reconstructing the Color 3D Tomography of Lunar Samples. At. Spectrosc., 2022, 43 (1), 6-12. https://doi.org/10.46770/AS.2022.009）。西安交通大学赵天宇博士和冯坤同学为论文共同第一作者，雷铭教授为论文通讯作者。

月壤样本为科学家建立月球土壤模型，研究月球演化过程提供了重要证据。为了能最大限度还原珍贵月壤样品的原始形态和成分，需要首先对样品进行无损测量分析，其中光学检测就是一类重要的非接触式检测方法，可以快速的记录样品的整体形貌。以激光扫描共聚焦显微镜为代表的点扫描显微成像技术具有三维层析成像能力，是目前应用最广泛的光学3D成像技术。然而，激光扫描技术需要将聚焦的光束扫描样本，激光焦点的高功率密度可能会对月壤样品造成不可逆转的热损伤，同时也无法得到样品的真实全彩色信息^[1]。

图1. HDR-C-SIM系统的（a）光路图，（b）实物图和（c）主要参数。

雷铭教授2015年首次提出了高分辨全彩色三维光切片结构光照明显微技术，该技术具有空间分辨率高、成像速度快、光损伤小、三维成像能力强等优点，迅速成为活体生物组织超分辨动态成像和结构观察中真彩色三维快速成像的有力工具，受到了国内外众多科研机构的广泛关注（图1）^[2]。基于此技术，我们进一步提出了高动态范围、全彩色结构光照明显微镜（HDR-C-SIM），并利用其记录了月壤模拟物和月球陨石的彩色三维结构，得到了样品的精细结构和色彩信息。月壤模拟物来自吉林四海火山碎屑，图2和图3展示了两颗土壤的三视图和高程图。第一个颗粒三维尺寸528×360×218 μm³，采用20倍NA 0.45显微物镜拍摄。根据高程图计算得到其体积和表面积分别为1.45×10^-2 mm3和0.424 mm²。样品共采集328层图像，整体拍摄耗时23秒，同时HDR-C-SIM系统采用自行编写的控制计算软件，图像的采集和重构过程同时进行，无需额外的图像处理时间。第二个颗粒三维尺寸370×279×40 μm³，采用40倍NA 0.75显微物镜拍摄，体积和表面积分别为1.34×10^-3 mm³和0.196 mm²，共采集200层图像，拍摄耗时22秒。

图2. 单个月壤模拟物颗粒的三维成像结果。（a）-（c）第一个样品沿三维方向的最大值投影图。（d）样品高程图及沿黑色直线处的高度曲线。（e）-（h）第二个样品的对应结果。

图3 月壤模拟物颗粒的三维成像结果视频。

利用系统的高速成像能力，我们还对一个厘米级的月球陨石进行了三维成像。发现自非洲西北部的NWA 11474号月球陨石碎片是一块主要由长石构成的角砾岩，其尺寸为11.1×8.1×4.4 mm。实验结果表明，HDR-C-SIM仅用了296秒即可完成所有数据的采集。图4和图5展示了样品的三维成像结果。

图4. 月球陨石NWA 11474的三维成像结果。（a）-（c）样品沿三维方向的最大值投影图。（d）样品高程图及沿黑色直线处的高度曲线。（e）-（n）（a）中矩形方框处的局部放大图及对应结果。

图5. 月球陨石NWA 11474三维成像结果视频。

综上，利用HDR-C-SIM系统，我们可以得到月壤模拟物和月球陨石的三维形貌和真实色彩。HDR-C-SIM具有灵敏度高、热损伤效应低和成像速度快等优点，并能如实记录样品的彩色信息，有利于对珍贵样品进行无损记录和分析，推动地质学领域相关研究的发展。

[主要参考文献]

[原文]

T. Y. Zhao, K. Feng, P. Y. Liu, J. R. Ren, Z. J. Wang, Y. S. Liang, and M. Lei, Reconstructing the Color 3D Tomography of Lunar Samples. Atomic Spectroscopy, 2022, 43, 6–12. https://doi.org/10.46770/AS.2022.009