Imagerie 3D- Micro et nano-tomographie RX
Description de la plateforme d’imagerie 3D du CEREGE dans le cadre de l’Equipex Nano-ID
Principe de la tomographie RX
La tomographie RX est une technique d’imagerie en 3 dimensions (3D), inventée en 1972 par Godfrey N. Hounsfield, ce qui lui valut de recevoir le prix Nobel de médecine.
La radiographie 2D conventionnelle reproduit une ombre en 2 dimensions d’un objet 3D éclairé par un faisceau de rayons X (RX). Les rayons X pénètrent la matière et forment une image par transmission. Les différents niveaux de gris de cette image correspondent aux niveaux d’absorption des RX. L’absorption des RX dépend de l’épaisseur, de la densité et de la composition chimique des parties de l’objet traversées. Lors de l’acquisition d’un scan de tomographie RX, l’objet à visualiser est placé sur un porte-échantillon rotatif entre la source de rayons X et le détecteur. L’objet est ensuite mis en rotation, le détecteur enregistre une radiographie RX 2D pour chaque angle de rotation. On obtient ainsi une pile d’images (de 900 à 3000 images) correspondant à chacun des angles de vue sur l’échantillon.
Puis, un algorithme mathématique reconstruit l’objet en 3 dimensions à partir de la pile de radiographies 2D. En analysant le volume obtenu, il est possible de connaître les caractéristiques de la structure interne d’un objet, comme les dimensions, la forme, la position d’éléments les uns par rapport aux autres et de localiser des hétérogénéités et des défauts … et ceci sans détruire, ni couper l’objet.
Le faisceau RX doit être suffisamment énergétique pour traverser l’objet. Les radiographies RX 2D sont le résultat de deux grandissements successifs : le premier, le grandissement géométrique est lié à la distance source-échantillon et à la distance détecteur-échantillon ; le deuxième, le grandissement optique est obtenu à l’aide d’objectif de microscopie classique couplé à un écran scintillateur (transforme les RX en lumière visible). Nous pouvons ainsi atteindre des résolutions allant de 50 nm à 50 µm (de manière quasi continue).
Exemple de visualisation d’un objet en 3D après analyse par micro-tomographie RX et reconstruction du volume. Le traitement des images permet de distinguer les différents matériaux qui composent l’objet à partir du contraste d’absorption des RX. Il est possible d’extraire des coupes 2D transversales du volume obtenu (on parle de coupes virtuelles).
Composition de la plateforme d’imagerie RX 3D
La plateforme d’imagerie RX 3D Nano-ID est intégrée à la plateforme d’imagerie RX (plateforme MATRIX) du CEREGE, à Aix-en-Provence (http://www.cerege.fr/fr/equipements-rattaches-aux-equipes/plateforme-matrix).
Elle se compose :
- D’un micro-tomographe RX (micro-CT) avec une résolution spatiale pouvant varier de 0,7 à 65 µm (MicroXCT-400 Zeiss-Xradia)
- d’un nano-tomographe RX (nano-CT) unique en France avec des résolutions spatiales de 50 et 150 nm (UltraXRM-L200 Zeiss-Xradia)
- de stations de traitement des données équipées de logiciels de visualisation et d’analyse d’images 3D
- d’un laboratoire de préparation des échantillons
La particularité de la plateforme réside dans ses performances uniques en terme de résolution spatiale, et permettant de réaliser des analyses résolues spatialement multi-échelles, de l’échelle micrométrique jusqu’à l’échelle nanométrique.
Par exemple, un objet d’une taille centimétrique (ex. une feuille de plante) peut être imagé en entier avec une taille de voxel (pixel 3D) de 10 µm. Un détail de cet objet peut ensuite être imagé en entier avec une résolution micrométrique (avec une taille de voxel de 1 µm) s’il est de taille millimétrique (ex. hydathode) et jusqu’à une résolution nanométrique (avec une taille de voxel de 16 nm ) s’il est de taille micrométrique.
Avec le micro-tomographe RX, un objet de taille maximale de 65 mm peut être visualisé en entier et le plus petit détail observable est d’environ 0.7 micromètres. Avec le nano- tomographe RX, au maximum un objet de 65 µm peut être observé en entier et le plus petit détail observable est d’environ 16 nm.
La plateforme d’imagerie 3D de l’Equipex NanoID offre ainsi une très large gamme de résolutions spatiales et permet de balayer une large échelle d’observation pour un même échantillon. Un échantillon peut être analysé dans un premier temps par micro-tomographie RX, pour une visualisation 3D avec un champ de vision large et une résolution spatiale micrométrique. Il peut ensuite être observée en 3D avec une résolution nanométrique sur un volume d’intérêt identifié précédemment sans aucune modification ou nouvelle préparation spécifique.
Exemple : Analyse 3D multi-échelles (par micro et nano-tomographie RX) de la glande digestive d’un planorbe (escargot d’eau douce).
Micro-tomographe RX
L’instrument installé au Cerege depuis janvier 2013 est un MicroXCT-400 commercialisé par la société Zeiss-Xradia. Cet appareil possède une tourelle de scintillateurs et d’objectifs optiques (x0.4, x4, x10, x20, x40) permettant d’ajouter au grandissement géométrique de l’objet, un grandissement optique. Selon l’objectif utilisé, la résolution spatiale varie de 65 µm environ à moins de 1 μm avec une taille de voxel (3D pixel) pouvant atteindre 0,3 micron dans ce dernier cas. Le détecteur est une caméra CCD de 2K x 2K pixels.
Sa platine motorisée de rotation (360°) et translations (X, Y, Z) est conçue pour accueillir des échantillons pouvant atteindre 100 mm de diamètre et un poids de 15 kg ce qui permet l’analyse d’échantillons en environnement spécifique. Le microXCT-400 possède une source RX (anode en W, 59keV) pouvant atteindre une tension maximale de 140 kV. La puissance du générateur de rayons X est réglable avec un maximum de 10W.
La spécificité de cet appareil est de combiner le grandissement géométrique (classiquement utilisé en micro-tomographie RX) à un grandissement optique (grâce à sa tourelle d’objectifs), ce qui permet de disposer d’une haute résolution pour des distances source-échantillon jusqu’à 45 mm. Des environnements échantillon variés peuvent être envisagés (ex. analyse in-situ dans des colonnes de sol…) et une approche multi-échelle peut être réalisée sur le même échantillon sans avoir à réduire sa taille.
Exemple : Branchies de gammare (crustacé amphipode) observées en 3D avec le micro-tomographe RX à différentes résolutions
Nano-tomographe RX
La plateforme d’imagerie 3D dispose également du nano-tomographe UltraXRM-L200 de Zeiss-Xradia (installé en octobre 2012). Cet instrument possède des spécificités uniques sur le marché et similaires à celles obtenues par les appareils développés sur synchrotrons.
Deux résolutions spatiales à l’échelle nanométrique sont disponibles : 50 et 150 nm (respectivement mode HRES et LFOV). Cette résolution spatiale, unique à l’échelle des tomographes RX de laboratoire, est obtenue grâce au développement de dispositifs optiques, les lentilles de Fresnel, permettant de focaliser les rayons X transmis par l’échantillon.
La source RX est une anode tournante au cuivre (8 keV) avec une tension maximale de 40 kV. La platine motorisée de rotation et translations (θ, X, Y, Z) permet des déplacements de 10 mm et une rotation de l’échantillon sur 180° (de -90 à 90°).
Les dimensions de l’échantillon, dans le meilleur des cas, doivent être inférieures ou égales à la taille du champ de vision, soit 16 µm en HRES et 65 µm en LFOV. De telles dimensions sont parfois difficiles à atteindre, la préparation des échantillons dépendra alors de leur composition chimique et densité : 1 mm de carbone ou 100 µm de silicium peuvent être des points de repère.
De plus, du fait de la cohérence partielle du faisceau RX, cet appareil permet de travailler en contraste de phase (méthode du Zernike Phase Contrast). Cette spécificité augmente la qualité des images pour des objets ayant peu de contraste d’absorption RX (par exemple morphologie d’organismes biologiques).
Stations de traitement des données
Une salle de traitement des données issues des instruments de la plateforme d’imagerie 3D a été spécialement aménagée. En particulier, deux stations de travail (HP Z820, RAM 64Go, DD 3To) équipées du logiciel Avizo (FEI) et de cartes graphiques performantes, sont mises à disposition des utilisateurs pour le traitement et l’analyse des images 3D de tomographie RX. La capacité de stockage des disques durs et un serveur de stockage (30 To dédiés à la tomographie RX) permettent de conserver des données sur une période d’au moins 1an.
Laboratoire de préparation des échantillons
Un laboratoire dédié à la préparation des échantillons est également mis à la disposition des utilisateurs.
Il est équipé :
- d’un stéréo-microscope optique pour la manipulation et la fixation des petits échantillons (Leica M80)
- d’un microscope Zeiss-Xradia adapté au repérage des zones d’analyse en nano-tomographie RX et au dépôt de marqueurs (billes d’or micrométriques) sur l’échantillon.
- d’un appareil de séchage en conditions supercritiques (par contournement du point super-critique du CO2) (EM CPD 3000, Leica Microsystems Inc., USA).
- d’une micro-scie de précision (IsoMET 4000, Buehler) permettant de découper les échantillons et de réaliser des sections fines (épaisseur minimale de 200 µm)
- d’un microscope laser pour une découpe très précise et fine des échantillons (CETAC)
- de matériel pour l’inclusion des échantillons et leur polissage
Pour plus d’informations
Contactez
Daniel Borschneck 0442971670
Vladimir Vidal 0442971771
Perrine Chaurand 0442971543
Jérôme Rose 0442971529
Clément Levard 0442971539
Ou visitez : https://www.cerege.fr/fr/laboratoires-et-plateformes/plateforme-matrix
Tarifs : nous consulter (les tarifs varient en fonction des résolutions souhaitées)
Concernant la Micro et Nano-tomographie RX, 30 % du temps d’analyse pourra être dédié aux personnes externes au projet NanoID soit 10 jours/mois.
