利用滤波的x射线荧光的系统和方法

本申请要求享有2018年9月4日提交的美国临时申请第62/726,776号和2019年1月18日提交的美国临时申请第62/794,281号的优先权的权益，每个申请的全部内容通过引用的方式并入本文。

本申请总体涉及基于实验室的x射线荧光分析系统和方法。

背景技术

在使用实验室x射线源的x射线荧光(XRF)分析中，痕量元素的检测和定量的主要限制是由于到达x射线检测器并被x射线检测器检测到的入射x射线的弹性和非弹性(康普顿)散射而导致的背景影响(background contribution)。该背景影响在与感兴趣的x射线荧光线的能量重叠的能量范围内延伸，并且是使x射线检测器的信噪比降低的重要噪声源。

在一些常规的XRF系统中，通过将入射x射线束透射通过一个或多个薄箔滤波器来衰减以感兴趣的x射线荧光线的能量范围入射在样品上的x射线，来减少背景影响。然而，这种透射滤波器倾向于仅在略高于滤波器材料的吸收边缘上方的相对窄的能量范围上有效。另外，这种透射滤波器还使到达样品并激发x射线荧光线的较高能量轫致辐射x射线衰减，从而减少了期望的x射线荧光信号。在其他常规XRF系统中，通过从多层涂布表面(例如反射镜；单色仪)反射入射x射线束来从入射x射线能谱滤掉背景影响，该多层涂布表面选择性反射对应能量范围内的x射线并使超出对应能量范围的x射线透射。经反射的x射线被引导以照亮样品，而透射的x射线偏离样品和x射线检测器传播出去。

发明内容

在本文中所公开的一个方面中，x射线光学滤波器包括至少一个x射线光学反射镜。至少一个x射线光学反射镜被配置成接收具有第一x射线谱的多个x射线，通过多层反射或全外反射将接收到的x射线中的至少一些接收到的x射线分离成反射x射线和非反射x射线，并形成x射线束，所述x射线束包括反射x射线中的至少一些反射x射线和/或非反射x射线中的至少一些非反射x射线，其中，第一x射线谱具有的第一强度在预定立体角范围中是关于能量的函数。x射线束具有第二x射线谱，第二x射线谱具有的第二强度在该立体角范围中是关于能量的函数，该第二强度在至少3keV宽的第一连续能量范围内大于或等于第一强度的50％，第二强度在至少100eV宽的第二连续能量范围内小于或等于第一强度的10％。

在本文中所公开的另一方面中，提供了一种执行x射线荧光分析的方法。方法包括接收具有第一能谱和第一空间分布的x射线。方法还包括反射接收到的x射线中的至少一些接收到的x射线，反射x射线具有第二能谱和第二空间分布。方法还包括通过多层反射和/或全外反射将反射x射线分离成冲击样品的第一部分和具有预定x射线能量范围的第二部分，第一部分具有第三能谱，第三能谱与第二能谱相比，在预定x射线能量范围内的强度被降低。

在本文中所公开的另一方面中，x射线系统包括至少一个第一x射线光学反射镜，该至少一个第一x射线光学反射镜被配置成接收具有第一能谱的第一x射线束的至少一部分，并反射第一x射线束的该部分的x射线中的至少一些x射线以形成第二x射线束。x射线系统还包括至少一个第二x射线光学反射镜，该至少一个第二x射线光学反射镜包括至少一个镶嵌晶体层、至少一个深度递变的多层反射器和/或至少一个掠入射反射镜，至少一个第二x射线光学反射镜被配置成接收来自至少一个第一x射线光学反射镜的x射线中的至少一些x射线，透射第二x射线束并反射从至少一个第一x射线光学反射镜接收到的x射线中的反射部分，所述第二x射线束包括从至少一个第一x射线光学反射镜接收到的x射线的透射部分。第二x射线束具有第二能谱，第二能谱与第一能谱相比，在预定x射线能量范围内的强度被降低。

在本文中所公开的另一方面中，x射线系统包括被配置成生成x射线的至少一个x射线源。x射线系统还包括至少一个x射线光学元件，该至少一个x射线光学元件被配置成接收并聚焦来自至少一个x射线源的至少一些x射线。至少一个x射线光学元件包括至少一个衬底，该至少一个衬底包括表面和在该表面上的至少一个深度递变的多层涂层。至少一个深度递变的多层涂层被配置成基本上反射具有在第一能量范围内的能量的x射线并且基本上不反射第二能量范围内的能量的x射线，第二能量范围与第一能量范围不重叠。

附图说明

图1示出了根据本文中所描述的某些实施例的可使用硬x射线检测的生物学上重要的元素的示例(来自MJ Pushie等人，“生物系统的元素和化学特异性x射线荧光成像(Elemental and chemically specific x-ray fluorescence imaging of biologicalsystems)”，化学评论114:17(2014):8499-8541)。

图2A-2D示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例x射线光学系统。

图3A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例x射线光学系统。

图3B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图3A的x射线聚焦光学元件的示例至少一个衬底。

图3C示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图3A的x射线聚焦光学元件的示例至少一个层。

图4A示意性地图示了电子碰撞x射线源在预定立体角范围内的示例理想化x射线谱，在立体角范围内的理想化常规箔滤波的Au目标光谱。

图4B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的电子在预定立体角范围内碰撞x射线源的示例理想化x射线谱以及在立体角范围内的理想化“陷波(notch)”滤波的Au目标x射线光谱。

图5A示出了根据本文中所描述的某些实施例的以16.7毫弧度(0.93度)的入射角分别针对4.5nm和3nm d间距从x射线聚焦光学元件的椭圆形部分的下游端反射的两个示例x射线谱。

图5B示出了根据本文中所描述的某些实施例的以12.5毫弧度(0.72度)的入射角分别针对4.5nm和3nm d间距从x射线聚焦光学元件的椭圆形部分的上游端反射的两个示例x射线谱。

图6示出了根据本文中所描述的某些实施例的在四条x射线激发能下的Fe、Cu和Zn的K线x射线荧光横截面的表。

图7示出了根据本文中所描述的某些实施例的使用5mm厚的Si滤波器抑制在P和SK线荧光下面的不希望的背景。

图8A-8D示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的x射线光学系统的各种其他示例。

图9A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的包括至少一个毛细管的示例第一x射线光学元件的横截面图。

图9B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的第一x射线束的示例第一x射线能谱。

图10A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统，在该示例系统中至少一个第二x射线光学元件包括至少一个x射线反射器。

图10B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图10A的第二x射线束的示例第二x射线能谱。

图11A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统，在该示例系统中至少一个第二x射线光学元件包括多个x射线反射器。

图11B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图11A的第二x射线束的示例第二x射线能谱。

图12A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统，在该示例系统中至少一个x射线反射器包括至少一个掠入射反射镜。

图12B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图12A的第二x射线束的示例第二x射线能谱。

图13A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的包括第一x射线反射器和第二x射线反射器的示例系统。

图13B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的第二x射线束和从图13A的第二x射线反射器反射的x射线的示例第二x射线能谱。

图14是根据本文中所描述的某些实施例的执行x射线荧光分析的示例方法的流程图。

具体实施方式

x射线荧光(XRF)可以提供信息的一个示例领域是金属在生物系统中的相互作用(例如金属在生物过程中的作用；基于金属的药物)。通常发现这些痕量元素的浓度为百万分之几(ppm)，并且在器官、组织、细胞和亚细胞水平具有空间特异性。组织中的异常痕量元素分布与许多疾病(包括阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)、亨廷顿病)直接有关。最近的研究也将病状(诸如关节炎和精神分裂症)与人群中血清的异常痕量元素浓度联系在一起，这正引起对患病组织中元素分布的兴趣。另外，有希望的新的基于金属的疗法(例如抗癌和抗HIV)引起对金属映射(mapping)能力的需求，以更好地理解药物的体内摄入并确定靶向策略。

XRF先前已用于进行化学分析和元素成像，以用于生物标本中的金属映射。基于高性能同步加速器的“微型XRF”能够以细胞和亚细胞分辨率(例如几微米至30nm)以及痕量级(例如低于百万分之几(ppm))的灵敏度和定量对生物组织进行元素分析。同步加速器XRF微型探针通常使用单色仪来限定单次入射的x射线能量，并使用大型同步加速器特定的光学器件(例如Kirkpatrick-Baez反射镜或KB反射镜)将x射线聚焦到0.5-5μm的光斑上。在约1.6μm分辨率下执行的示例基于同步加速器的微型XRF研究分析了对癌细胞和非癌细胞中基于Pt的抗癌化学治疗化合物的细胞内定位以及Pt与Zn的关系，从而提供了Zn相关的解毒是对化学疗法产生抗药性的原因的见解。在另一示例研究中，在约4μm分辨率下执行的基于同步加速器的微型XRF被用于确定失败的髋关节植入物周围Co与Cu的比例，这示出了失败的植入物相比非失败的植入物优先分布Co，并且对此比率的分析可告知植入物选择。在又一示例研究中，在约2μm分辨率下绘制了被诊断患有肺癌的人的指甲中富铁区的空间密度。

然而，这种微型XRF系统需要接入同步加速器设施，而这些同步加速器设施是昂贵的(例如，每个同步加速器设施花费高达10亿美元)，并且在数量上仅限于全世界的几个中心。由于具有x射线荧光束线的这种设施的数量很少(例如每条束线可能花费超过1000万美元)，因此准入竞争非常大。即使得到批准，波束时间通常也被限制为一周或几天，这是有问题的，因为它限制了可以分析的样品数量和/或改变测量协议(例如，对样品制备和/或样品选择的改进)的能力。当然，还存在其他挑战，包括前往同步加速器的物流和相关联的费用。

已经被开发以广泛地接入微型XRF分析的常规基于实验室的XRF系统通常是基于电子轰击实验室x射线源，该电子轰击实验室x射线源会产生多色x射线谱，然后使用多毛细管x射线光学器件将其聚焦到约30-100μm的光斑大小。与同步加速器系统相比，这种常规系统限于较差的分辨率并且具有较低的灵敏度，这对于生物应用中的对微量浓度的元素分析是有问题的。

本文中所描述的某些实施例提供了一种系统(例如x射线荧光系统)，该系统包括微结构化的x射线源，该微结构化的x射线源包括嵌入在导热衬底(例如金刚石)中的至少一种目标材料(例如Au)，x射线源被配置成发射具有对应于至少一种目标材料的一条或多条特征x射线线的能量的x射线。系统还包括x射线光学器件，该x射线光学器件被放置成从x射线源接收x射线中的至少一部分。x射线光学器件包括轴向对称的x射线聚焦光学器件，该轴向对称的x射线聚焦光学器件的内表面上具有深度递变的多层涂层(例如在沿着x射线光学器件的纵轴的平面中具有椭圆形轮廓)，该深度递变的多层涂层被配置成基本上反射(例如具有大于30％的反射率；具有大于50％的反射率)具有在第一预定范围内的能量的x射线，基本上不反射(例如具有小于10％的反射率；具有小于5％的反射率)在第二预定范围内(例如在包括被分析的元素的荧光线的范围内)的x射线，并将反射x射线聚焦到待分析的样品(例如生物样品；半导体样品；地质样品)上。

本文中所描述的某些实施例提供了一种x射线光学器件，该x射线光学器件至少包括管(例如毛细管)的轴向对称部分，该部分具有内表面，该内表面的形状(例如在沿着x射线光学器件的纵轴的平面中的椭圆形轮廓)被配置用于聚焦(例如利用源成像；利用源缩小；利用源放大)来自x射线源的x射线。轴向对称部分的内表面包括至少一个深度递变的多层涂层，该至少一个深度递变的多层涂层被配置成基本上反射具有在第一能量范围内的能量的x射线并且基本上不反射具有第二能量范围内的能量的x射线，该第二能量范围与第一能量范围不重叠。

本文中所描述的某些实施例提供了一种x射线荧光系统。系统包括至少一个x射线光学器件，该至少一个x射线光学器件被配置成接收具有第一能谱的第一x射线束的至少一部分，并反射第一x射线束的该部分的x射线中的至少一些x射线以形成第二x射线束。第二x射线束具有第二能谱。系统还包括至少一个光学元件(例如反射镜)，该至少一个光学元件被配置成接收第二x射线束的x射线中的至少一些x射线，以透射包括从第二x射线束接收到的x射线的透射部分的第三x射线束，并反射从第二x射线束接收到的x射线的反射部分。第三x射线束具有第三能谱，第三能谱与第二能谱相比，在预定x射线能量范围内的强度被降低。

本文中所描述的某些实施例提供了一种执行x射线荧光分析的方法。方法包括：接收具有第一能谱和第一空间分布的x射线；并且反射接收到的x射线中的至少一些接收到的x射线。反射x射线具有第二能谱和第二空间分布。方法还包括：透射反射x射线的第一部分以冲击样品；并且反射反射x射线的第二部分。第一部分具有第三能谱，第三能谱与第二能谱相比，在预定x射线能量范围内的强度被降低。

本文中所描述的某些实施例有利地裁剪入射在样品上的x射线的能谱，以保持(例如基本上不影响)高于感兴趣的x射线荧光能量范围的能量的x射线的强度(例如通量)的同时降低(例如去除；切除)感兴趣的x射线荧光能量范围内的x射线的强度(例如通量)。某些实施例通过降低在x射线荧光能量范围内的入射x射线的强度，减小了散射x射线在x射线荧光能量范围内对背景的影响。通过保持高于x射线荧光能量范围的能量的入射x射线的强度，某些实施例维持(例如基本上不降低)激发样品内的x射线荧光的x射线强度。本文中所描述的某些实施例利用反射而不是吸收来降低感兴趣的x射线荧光能量范围内的x射线的强度。

本文中所描述的某些实施例有利地用作“陷波滤波器”，其中基本上阻止了在具有下限x射线能量和上限x射线能量的至少一个预定能量范围内的x射线冲击样品，而在至少一个预定能量范围之外(例如，高于上限x射线能量的能量；高于上限x射线能量的能量和低于下限x射线能量的x射线)的x射线被允许传播以冲击样品。

本文中所描述的某些实施例有利地通过减少用于以足够的信噪比执行测量的数据采集时间来增加x射线荧光分析的吞吐量。例如，数据采集时间T可以表达为：T∝B/F

本文中所描述的某些实施例被配置成促进(例如改进)被配置用于痕量元素映射(例如在生物样品中；在半导体样品中；在地质样品中)的x射线荧光系统。在某些这种实施例中，使用第二抛物面光学器件将轫致辐射x射线束重新聚焦，并且扫描样品以生成宽范围元素的元素图。本文中所描述的某些实施例提供了对被分析的痕量元素的更快速的分析和/或增加的灵敏度(例如通过改善信噪比)，同时维持了期望的高空间分辨率(例如用于半导体应用、生物医学研究和其他应用)。本文中所描述的某些其他实施例在不利用高空间分辨率的应用(例如矿物勘探)中对被分析的痕量元素提供了更快速的分析和/或增加的灵敏度(例如通过改善信噪比)。

某些其他实施例被配置成从来自第二元素(例如Cu)的第二x射线荧光线的影响确定来自第一元素(例如Hf)的第一x射线荧光线的影响，其中第一x射线荧光线和第二x射线荧光线具有相似(例如基本上相同)的能量。例如，在半导体处理应用中，陷波滤波器可以被配置成从入射x射线束中去除能量范围9keV–9.6keV内的x射线，并且包含Cu(例如在约9keV处具有K吸收边缘并且在约8keV处具有Kα荧光线)和Hf(例如，在约9.6keV处具有L吸收边缘并且在约8keV处具有Lα荧光线)两者的样品可以通过以下操作被分析：(i)利用阻止能量范围内的x射线冲击样品的陷波滤波器测量来自样品的第一x射线荧光；(ii)在没有阻止能量范围内的x射线冲击样品的陷波滤波器的情况下测量来自样品的第二x射线荧光，并且(iii)比较第一x射线荧光和第二x射线荧光。本文中所描述的某些其他实施例被配置成有利地去除来自测量的x射线中的衍射峰的影响。本文中所描述的某些其他实施例被配置成减小(例如阻止；最小化)冲击样品的选定能量范围内的x射线的通量，同时允许在选定能量范围之外的x射线冲击样品，从而有利地减小冲击样品(例如对高于预定阈值的辐射剂量敏感或易受其损坏的样品)的总体x射线通量。

关于生物系统，XRF分析通常是复杂的(例如不同元素的XRF在不同能量处被最大化)，并且可能希望以尽可能高的灵敏度同时检测多种元素。本文中所描述的某些实施例既产生与x射线目标材料相关的强特征x射线能量，又产生多至x射线源的电子束的加速电压的宽多色x射线谱，因此能够增加激发。

本文中所描述的某些实施例提供了用于x射线荧光的系统和方法，以便以亚细胞分辨率进行化学分析和元素成像。如本文中所描述，某些这种实施例可以提供诸多优点，这些优点甚至超过了最近开发的实验室微型XRF系统所提供的优点，该最近开发的实验室微型XRF系统并入了微结构化的x射线源和双抛物面x射线光学器件以实现小于10μm(例如8μm)的分辨率和ppm以下和飞克以下(绝对值)的检测灵敏度。该基于实验室的微型XRF系统已由各种研究人员应用于广泛范围的生物学应用，包括但不限于：肿瘤中的纳米颗粒；病变钙化组织(例如阴茎结石、肾结石和牙齿)中的痕量元素失调；对农作物进行基因改造以改善营养摄入(例如铁)；头发样品中Zr、I、Cu和Sr的元素异常分布与糖尿病、自闭症和癌症的发生和发展的相关性；帕金森氏症小鼠模型，以及趋向使用微型XRF和感应耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术创建的定量混合例程应用。本文中所描述的某些实施例被配置成有利地在1.6μm分辨率下以比该系统在8μm分辨率下提供的速度快三倍的速度提供生物学上重要的元素的成像。本文中所描述的某些实施例有利地扩展了实验室微型XRF系统用于对生物医学应用的生物学上重要的元素进行成像的用途，并加快了由于低同步加速器准入而陷入瓶颈的生物医学研究的步伐。

本文中所描述的某些实施例被配置成提供与组织样品中的金属结合蛋白(例如金属蛋白)相关的信息。已知占人体内的所有蛋白质的三分之一的金属蛋白几乎在每个生物途径中都实施至少一个步骤。假定这些生理上重要的金属的失调与多种疾病有关，这些疾病包括：门克氏和威尔逊氏病、神经变性疾病(诸如阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)、亨廷顿病、自闭症)以及自体免疫疾病，诸如类风湿性关节炎、克罗恩氏病、格拉夫氏病和不孕症。本文中所描述的某些实施例被配置成提供与其他元素相关的信息，这些元素以前在生物系统中没有发现，但是有意地(例如药品，已经朝向基于无机的概念和金属纳米颗粒发展)或无意地(例如，通过环境暴露积累，通常是现代工业用途和污染的结果)正被引入到这种系统中，并且可能具有潜在的毒性作用。本文中所描述的某些实施例被配置成提供与针对金属药物的靶向和合理设计方法的开发相关的信息(例如与肿瘤、细胞和细胞器对金属药物的摄入相关的信息；与这种药物的清除或解毒相关的信息；与这种药物的有效性和/或对这种药物的耐药性的发展相关的信息)。

尽管生物样本中的许多生物学上重要的元素的痕量级浓度较低(由于小探测体积中的少量金属原子)，但是本文中所描述的某些实施例提供了具有多倍长度的尺度分辨率的高空间分辨率成像信息(例如与理解生理上重要的元素和相关联的分子的基础生物学功能以及治疗药物或毒性元素的生物学途径相关)，诸如用于使组织和器官成像的细胞分辨率和用于使细胞成像的亚细胞分辨率。本文中所描述的某些实施例使得能够以亚细胞分辨率和高灵敏度同时使多种元素成像，以提供与元素同对应的生物分子(例如金属蛋白)之间的关系相关的信息和/或结构信息(诸如K)。例如，通过本文中所描述的某些实施例使痕量元素连同磷、硫和钾的分布成像提供了与DNA(P)、蛋白质(S)和细胞形状(K)的空间相关性相关的信息。

本文中所描述的某些实施例提供“同步加速器前”的筛选，其可告知样品制备并确保同步加速器资源的有效利用，以及在超高分辨率(例如30nm–100nm)XRF研究之前选择样品。本文中所描述的某些实施例提供了对大量样品(例如许多生物医学应用所使用的样品)的分析，以解释统计学上的总体方差。本文中所描述的某些实施例提供了对由于样品的专有性质、样品的危险性质或其他原因而不能运输到其他设施(例如同步加速器)的样品的分析。本文中所描述的某些实施例在各种条件下(例如，在一定范围的灵活操作条件下，湿的、冷冻保存的、固定的和/或染色的；环境的；低温的)适应各种样本大小和形状中提供了高穿透性和实验灵活性。本文中所描述的某些实施例提供了非破坏性x射线荧光分析，该非破坏性x射线荧光分析可以与相关(例如后续行动或随访)分析和/或以用于研究感兴趣的元素的化学状态的其他技术执行的成像组合，这些技术包括但不限于：红外和拉曼光谱/显微镜、分子质谱(例如基质辅助激光解吸/电离或MALDI)、二次质谱x射线吸收光谱法。本文中所描述的某些实施例有利地提供了其他益处，包括但不限于：在绝对检测极限内同时检测许多元素，并在环境条件下以自然状态或接近自然状态对样本进行测量。本文中所描述的某些实施例提供了比质谱成像技术(例如激光烧蚀感应耦合等离子体质谱或LA-ICP-MS)高得多的空间分辨率，并且提供了比基于电子的技术高数量级的灵敏度和低的辐射剂量。

本文中所描述的某些实施例被配置成提供对组织样品中的以微量和痕量级浓度(例如百万分之几；0.1％或更少)存在的一种或多种生物学上重要的元素(例如在金属结合蛋白中)的元素成像(例如关于空间分布的信息)。图1示出了根据本文中所描述的某些实施例(参见MJ Pushie等人，“生物系统的元素和化学特异性x射线荧光成像(Elemental andchemically specific x-ray fluorescence imaging of biological systems)”，化学评论114:17(2014):8499-8541)的可使用硬x射线检测的生物学上重要的元素的示例。如图1中所示出，生物学上重要的元素可以包括：

·已知对生命至关重要的生理上重要的元素(例如Na、Mg、Si、P、S、Cl、K、Ca、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Br、Mo、I)。例如，这种元素可以是蛋白质的成分(例如含有Fe、Cu和/或Zn的金属蛋白)；

·用作新型治疗剂和诊断剂的药理活性元素(例如Ti、Ga、Zr、Ru、Pd、Ag、Pt、Au、Bi、Gd、Dy)。例如，这种元素可以是癌症药物的成分(例如包括Pt、Au和/或Ru)；以及

·由于现代工业和技术活动而广泛分布的有毒或致癌元素(例如Al、Cr、As、Sr、Cd、Sn、Sb、Te、Ba、Hg、Tl、Pb、Po、Th、Pa、U、Np、Pu、Am)。

图2A-2D示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的各种示例x射线光学系统10。图2A的x射线光学系统10(例如x射线光学滤波器)包括至少一个x射线光学元件20(例如反射镜)。在某些实施例中，至少一个x射线光学元件20包括至少一个衬底和在至少一个衬底上的至少一个层。至少一个x射线光学元件20被配置成接收具有第一x射线谱的多个x射线(例如第一x射线束12)，通过多层反射(例如满足来自多层和/或镶嵌晶体层的布拉格反射条件的反射)或全外反射将接收到的x射线中的至少一些接收到的x射线分离成反射x射线和非反射x射线，其中，第一x射线谱具有的第一强度在预定立体角范围中是关于能量的函数。至少一个x射线光学元件20还被配置成形成第二x射线束32，该第二x射线束包括反射x射线中的至少一些反射x射线和/或非反射x射线中的至少一些非反射x射线。第二x射线束32具有第二x射线谱，第二x射线谱具有的第二强度在该立体角范围中是关于能量的函数。第二强度在至少3keV宽的第一连续能量范围内大于或等于第一强度的50％，并且第二强度在至少100eV宽的第二连续能量范围内小于或等于第一强度的10％。在某些实施例中，第二强度在至少2keV宽的第三连续能量范围内大于或等于第一强度的50％，第二连续能量范围在第一连续能量范围与第三连续能量范围之间。

在某些实施例中，如由图2B示意性地图示，x射线光学系统10包括至少一个x射线源40，该至少一个x射线源被配置成生成第一x射线束12，并且至少一个x射线光学元件20被放置成接收来自至少一个x射线源40的x射线中的至少一部分(例如第一x射线束12中的至少一部分)。如图2C和2D示意性图示，在某些实施例中，第二x射线束32中的至少一部分被配置成辐照样品50(例如生物样品；半导体样品；地质样品)并在激发样品50内x射线荧光52。x射线荧光52从样品50发射，并且包括在预定x射线能量范围内的x射线荧光线。

在某些实施例中，系统10还包括至少一个x射线检测器60，该至少一个x射线检测器被配置成检测和测量从样品50发射的x射线荧光52中的至少一部分。例如，至少一个x射线检测器60可以包括能量色散检测器，能量色散检测器被配置成检测从样品发射的荧光x射线(例如以生成指示样品的元素分布的图像)。如图2C示意性图示，第二x射线束32冲击样品50的第一表面54，并且至少一个x射线检测器60被放置成接收从样品50的不同于第一表面54的第二表面56(例如第二表面56与第一表面54相背)发射的x射线荧光52。针对另一示例，如图2D示意性图示，第二x射线束32冲击样品50的第一表面54，并且至少一个x射线检测器60被放置成接收从第一表面54(例如第一表面54中的一部分被第二x射线束32冲击，并且x射线荧光52被至少一个x射线检测器60从第一表面54中的同一部分和/或第一表面54中的不同部分接收)发射的x射线荧光52。与本文中所描述的某些实施例兼容的x射线检测器60的示例由美国专利第9,874,531号、第9,823,203号、第9,719,947号、第9,594,036号、第9,570,265号、第9,543,109号、第9,449,781号、第9,448,190号和第9,390,881号公开，每个专利的全部内容通过引用的方式并入本文。

图3A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例x射线光学系统10。图3A的示例x射线光学系统10包括：x射线源40，被配置成发射第一x射线束12；至少一个x射线光学元件20(例如反射镜)，被配置成接收第一x射线束12并形成和引导第二x射线束32以冲击样品50；以及至少一个x射线检测器60，被配置成检测(例如测量)从样品50发射的荧光x射线。在某些实施例中，系统10集成有真空系统并且被配置成提供对样品(例如冻干组织样品；生物样品；半导体样品；地质样品)的元素成像。关于生物样品，某些实施例的系统10有利地以亚细胞分辨率(例如在0.5μm至2μm的范围内；1.5μm；1.6μm；分辨率比先前系统提高了近一个数量级)和高灵敏度(例如ppm)提供了微型XRF分析和成像，以用于检测以痕量级浓度存在的生物学上重要的元素(例如Fe、Cu、Zn、P、S)。

在某些实施例中，x射线源40包括至少一个微结构化目标42，该微结构化目标具有在导热衬底44(例如金刚石)上或嵌入在导热衬底(例如金刚石)中的至少一种材料(例如Au)。至少一个微结构化目标42的至少一种材料被配置成在被电子46轰击时发射具有超高源亮度的x射线(例如第一x射线束12)，第一x射线束12通过至少一个窗口48从x射线源40发射。至少一个目标42的至少一种材料被配置成发射能量比被分析的样品50的一个或多个特征x射线荧光线高的x射线。例如，Au的特征L线略高于Zn的K吸收边缘，但不超过Fe和Cu的K吸收边缘过高，因此对于针对这些示例元素的x射线荧光信号的产生，Au目标材料的L线的效率可以高三倍以上。某些实施例的x射线源40具有在5μm至15μm(例如8μm；10μm)的范围内的源大小。x射线源40的示例参数包括但不限于：35kV的电子束操作加速电压；30W的电子功率；包括铍且厚度为50μm的窗口48；8μm(宽度)x 100μm(长度)的目标上的电子束覆盖区(例如半峰全宽)；包括金刚石的衬底44，该金刚石具有沿着电子束覆盖区的长尺寸延伸的200个蚀刻沟槽(例如4μm深、1μm厚以及20μm宽)；用至少一个目标42的至少一种材料(例如Au)填充的沟槽；第一x射线束12，沿着电子束覆盖区的长尺寸具有5°起飞角。与本文中所描述的某些实施例兼容的x射线源40的示例由美国专利第9,874,531号、第9,823,203号、第9,719,947号、第9,594,036号、第9,570,265号、第9,543,109号、第9,449,781号、第9,448,190号和第9,390,881号公开，每个专利的全部内容通过引用的方式并入本文。

图3A的示例至少一个x射线光学元件20包括轴向对称x射线聚焦光学元件70(例如反射镜；反射镜透镜)和挡光器80。x射线聚焦光学元件70包括至少一个衬底72和在至少一个衬底72上的至少一个层74(例如深度递变的多层涂层90)，并且x射线聚焦光学元件70被配置成高效地收集从x射线源40(例如第一x射线束12)发射的x射线中的至少一些x射线，收集到的x射线具有特定的x射线能量(例如Au的特征L线)。x射线聚焦光学元件70还被配置成将收集到的x射线(例如基本上由反射x射线中的至少一些反射x射线组成的第二x射线束32)聚焦到待分析的样品50上(例如以最大化信号；这些能量的聚焦通量至少增加13倍)。如图3A中示意性图示，挡光器80被放置在x射线聚焦光学元件70的纵轴上(例如在x射线聚焦光学元件70的上游端76处或附近；在x射线聚焦光学元件70的下游端78处或附近；在x射线聚焦光学元件70的上游；在x射线聚焦光学元件70的下游)。挡光器70被配置成阻止不由x射线聚焦光学元件70反射的x射线冲击样品50。与本文中所描述的某些实施例兼容的示例挡光器80由美国专利第9,874,531号、第9,823,203号、第9,719,947号、第9,594,036号、第9,570,265号、第9,543,109号、第9,449,781号、第9,448,190号和第9,390,881号公开，每个专利的全部内容通过引用的方式并入本文。

图3B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图3A的x射线聚焦光学元件70的示例至少一个衬底72。某些实施例的至少一个衬底72包括单个的、单元式元件。例如，至少一个衬底72可以包括中空的轴向对称管或管(例如毛细管)的一部分，该中空的轴向对称管或管的该部分沿着纵轴75延伸并且包括完全围绕纵轴75(例如环绕纵轴75；在围绕纵轴75延伸360度)延伸的内表面73(例如反射镜表面)。在某些其他实施例中，至少一个衬底72包括中空的轴向对称结构的至少一部分(例如轴向对称管的一部分)，该结构的至少一部分以仅部分地围绕纵轴75(例如小于360度；在45度至360度的范围内；在45度至315度的范围内；在180度至360度的范围内；在90度至270度的范围内)延伸的内表面沿着纵轴75延伸。在某些实施例中，至少一个衬底72包括多个衬底部分(例如2个、3个、4个、5个、6个或更多个)，它们彼此分离(例如在各衬底部分之间具有间隔)并围绕纵轴75分布，其中每个衬底部分的表面73至少部分地围绕纵轴75并沿着纵轴75延伸。例如，多个衬底部分的表面73可以以在15度至175度的范围内、在30度至115度的范围内和/或在45度至85度的范围内的角度围绕纵轴75延伸。

在某些实施例中，x射线聚焦光学元件70的表面73被配置成通过在样品50处以1:1成像生成x射线的x射线源40的部分(例如发射x射线的至少一个微结构化目标42上的源光斑)，来聚焦x射线。在某些其他实施例中，x射线聚焦光学元件70的表面73被配置成通过在样品50处放大(例如至少3倍；至少5倍；1:3；1:5)生成x射线的x射线源40的部分(例如发射x射线的至少一个微结构化目标42上的源光斑)，来聚焦x射线。在某些其他实施例中，x射线聚焦光学元件70的表面73被配置成通过在样品50处缩小(例如至少3倍；至少5倍；3:1；5:1)生成x射线的x射线源40的部分(例如发射x射线的至少一个微结构化目标42上的源光斑)，来聚焦x射线。在某些实施例中，如由图3B示意性图示，表面73具有椭圆形轮廓形状(例如在沿着纵轴的平面上)，椭圆形轮廓形状被配置用于源缩小(例如表面73收集并聚焦来自x射线源40的源光斑的x射线以产生源光斑的缩小图像)。例如，x射线聚焦光学元件70可以被配置用于源缩小至少5倍(例如5:1缩小率；光斑大小减小5倍)，这对应于源光斑到x射线聚焦光学元件70的中心之间的距离与x射线聚焦光学元件70的中心到x射线聚焦光学元件70的焦点之间的距离的至少5:1的比率。在源光斑大小为8μm的情况下，x射线聚焦光学元件70将源缩小至少5倍，这产生等于或小于1.6μm的聚焦光斑大小。在某些其他实施例中，x射线聚焦光学元件70的源缩小率至少为3倍(例如3:1缩小率；光斑大小减小3倍；源光斑与x射线聚焦光学元件70的中心之间的距离为100mm并且x射线聚焦光学元件70的中心与x射线聚焦光学元件70的焦点之间的距离为30mm)，从而针对约8μm-9μm的源光斑大小产生等于或小于2.7μm的聚焦光斑大小。在某些实施例中，x射线聚焦光学元件70的反射表面73的轴向对称椭圆形部分具有近乎最小的表面误差(例如大小小于200nm的表面误差)和/或针对10μm的源大小优于3μm的焦点(例如点扩散函数)(例如优于0.6μm的焦点或点扩散函数)。

图3C示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图3A的x射线聚焦光学元件70的示例至少一个层74。至少一个层74包括涂覆在至少一个衬底70的表面73上的至少一个深度递变的多层90(例如超镜)(例如使用原子层沉积(ALD)技术制造；使用溅镀制造)。ALD和溅镀是相当成熟的技术，并且由于其保形涂覆特性而被广泛地使用(例如在制造高级集成电路时；在用于x射线单色仪的平坦衬底上制造多层时)。

如图3C中示意性地图示，某些实施例的至少一个深度递变的多层90包括多个层对92(例如在垂直于层的方向上交替的具有高原子序数材料和低原子序数材料的层对或双层对)。层对的厚度彼此不同(例如相继的高原子序数材料层之间的间距彼此不同)。例如，每个层对92可以包括第一层94(包括第一材料)和第二层96(包括第二材料)(例如Pt/Si层对；Pt/B

在图3C的示例深度递变的多层90中，层对90的总数是240，由6个40个层对92的集合组成。从层对92a的第一集合98a(例如最接近表面73)到层对92的最后集合98f(例如最远离表面73)，层对92的厚度逐渐增加(例如从3nm至4.5nm，每个集合大约增加0.3nm＝3埃，其大约等于两个原子层的厚度)。层对92的集合98a-98f之间的厚度差受原子大小的量子化性质限制，并且不需要是精确的。例如，深度递变的多层90可以包括6个40个Pt/Al

在某些实施例中，x射线聚焦光学元件70还被配置成减小不希望的特定x射线能量处的背景影响(例如减小至少12倍)，否则会掩盖感兴趣的痕量元素信号。该不希望的背景影响的主要成分是来自实验室x射线源40的轫致辐射连续体。先前，已经使用了两种常规方法来最小化背景B

图4A示意性地图示了(i)包括Au目标42的电子撞击x射线源40在预定立体角范围内的示例理想化第一x射线谱，以及Fe、Cu和Zn的K边缘吸收能量(分别处于7.11keV、8.98keV和9.66keV)和其对应Kα特征x射线能量(分别处于6.4keV、8.05keV和8.64keV)，以及(iii)在该立体角范围内并且对应于第一x射线谱使用吸收光谱滤波器的示例理想化第二x射线谱，该吸收光谱滤波器包括在15μm厚的Cr箔，15μm厚的Cr箔放置在来自x射线源40的x射线的路径中。K边缘吸收能量是电离对应元素的K层电子并生成特征K线荧光X射线所需的最小x射线能量。示例第一x射线谱包含Au目标42和连续体轫致辐射(背景B

相比之下，图4B示意性地图示了本文中所描述的某些实施例的(i)在预定立体角范围内的示例理想化第一x射线谱以及(ii)图4A中的Fe、Cu和Zn的K边缘吸收能量以及其对应Kα特征x射线能量，以及(iii)在立体角范围内并且对应于第一x射线谱使用具有深度递变的多层90的x射线聚焦光学元件70的示例理想化的第二x射线谱。深度递变的多层90被配置成用作“陷波”滤波器，其中第二x射线谱(例如反射且聚焦的x射线的x射线谱)的强度相对于第一x射线谱(例如入射到深度递变的多层90的x射线的x射线谱)仅在特定带宽内降低，而其余的x射线谱基本上被保持(例如第二x射线谱基本上等于第一x射线谱)。例如，如图4B示意性图示，第二x射线谱中仅背景重叠Fe、Cu和Zn Kα线的带宽中的x射线能量被降低，而有用的较高能量x射线(例如高于Zn的K边缘吸收能量的能量)被有效地保持，从而提供了感兴趣的元素的最佳荧光激发。在某些这种实施例中，在维持高x射线荧光信号F

在某些实施例中，x射线聚焦x射线光学元件70(例如包括至少一个衬底72和包括深度递变的多层90的至少一个层74)被配置成为预期应用提供近乎最佳的光谱。例如，应用布拉格方程(2d·sinθ＝λ)，从深度递变的多层90上的地点反射的x射线具有约45-50％的光谱带宽。由深度递变的多层90反射的最低x射线能量由最大入射角和最大厚度(例如d间距)(例如4.5nm)给定，该最大入射角处于x射线聚焦光学元件70的椭圆形部分的下游端78(例如离x射线源40最远的端78；参见图3A)。

图5A示出了以16.7毫弧度(0.93度)的入射角分别针对4.5nm和3nm d间距从x射线聚焦光学元件70的椭圆形部分的下游端78反射的两个示例x射线谱。Fe、Cu和Zn的分别处于6.4keV、8.05keV和8.64keV的三个荧光线在基本上没有被x射线聚焦光学元件70的椭圆形部分反射的x射线能量的范围内。由具有4.5nm的厚度(例如d间距)的层对92的集合98在16.7毫弧度入射角下反射的最低x射线能量等于8.86keV，其比Zn Kα线能量高约200eV。具有3nm的厚度(例如d间距)的层对92的集合98在16.7毫弧度入射角下反射的x射线能量等于13keV。因此，由x射线聚焦光学元件70的下游端78处的深度递变的多层90反射的x射线的能量范围(如图5A的阴影区所示出)介于8.86keV至13keV的范围，该范围包括Au目标的所有三个强L线并且还包括轫致辐射连续体。

图5B示出了以12.5毫弧度(0.72度)的入射角分别针对4.5nm和3nm d间距从x射线聚焦光学元件70的椭圆形部分的上游端76反射的两个示例x射线谱。Fe、Cu和Zn的分别处于6.4keV、8.05keV和8.64keV的三个荧光线在基本上没有被x射线聚焦光学元件70的椭圆形部分反射的x射线能量的范围内。由x射线聚焦光学元件70的上游端76处的深度递变的多层90反射的x射线能量范围(如图5B的阴影区所示出)介于11.3keV至17keV的范围，该范围包括Au目标的三个强L线中的两个强L线(11.44keV和11.61keV)并且还包括轫致辐射连续体。Au的9.71keV L线不在该x射线能量范围内，但是下游的仅为一半(50％)反射镜长度便具有足够大的入射角来满足布拉格反射条件，因此该线的总收集角为另外两条Au线的总收集角的约50％。然而，该线的反射通量的相关联损耗不只是4keV能量带宽的宽范围上的轫致辐射连续体的x射线通量的偏移。Au的最强L线的强度比在线的能量宽度(例如约4eV)上的轫致辐射连续体高约1000倍，因此聚焦的第二x射线束32的x射线通量可能包含多达50％的轫致辐射连续体。应注意，连续体的最低能量为8.9keV，其高于Zn Kα线能量。因此，连续体对背景B

如图5A和5B中所示出，在某些实施例中，x射线聚焦光学元件70的深度递变的多层90提供了光谱“陷波”滤波，该滤波近似于图4B中所示出并且在高效地反射和聚焦下述能量的x射线的同时减小了背景B

如在图5A和5B的示例反射率光谱中所示出，x射线聚焦光学元件70针对5keV-8.9keV之间的能量的x射线反射率可以小于5％。其结果是，可以将由5keV-8.9keV能量范围(例如涵盖Fe、Cu和Zn Kα荧光线)上的入射x射线的弹性散射引起的背景B

在某些实施例中，增加的x射线荧光信号和背景的减少的组合提供了信噪比和用于使感兴趣的元素成像的成像速度的显著增益。例如，如本文中更全面地描述，通过最大化大于大于K边缘吸收能量的x射线能量的通量以增加荧光信号F

本文中所描述的某些实施例可以由指示微型XRF系统的性能的品质因数(FOM)来表征。使用x射线荧光分析的最小检测限(MDL)与3*F

FOM～F

本文中所描述的某些实施例有利地至少部分基于增加(例如最大化)x射线荧光信号(F

由x射线微型XRF系统中的能量色散检测器60检测到的x射线荧光信号(F

F

其中F是入射的聚焦的第二x射线束的通量，σ

在对微型XRF系统进行评估(例如在不同的微型XRF系统当中进行比较)时，N

关于增加(例如最大化)入射的聚焦的x射线束通量F，可以将入射的聚焦的x射线通量F表达为：

F＝B*L

其中B是样品处x射线源亮度B与定义为照亮样品的每单位面积和每单位立体角的x射线数量的亮度B的乘积(并且不应与背景影响B

本文中所描述的某些实施例有利地至少部分基于增加(例如最大化)x射线源亮度B和增加(例如最大化)x射线聚焦光学元件70针对给定的探测点大小L的收集立体角。例如，可以使用微结构化目标x射线源40来实现高的源亮度(参见例如美国专利第9,874,531号、第9,823,203号、第9,719,947号、第9,594,036号、第9,570,265号、第9,543,109号、第9,449,781号、第9,448,190号和第9,390,881号，每个申请的全部内容通过引用的方式并入本文)，该微结构化目标x射线源包括在阳极衬底44(例如金刚石)上或嵌入在阳极衬底中的微米大小的金属目标42。电子轰击x射线源40的亮度B与阳极上的电子功率密度(这可以受阳极熔化以及因此阳极的散热特性限制)成正比。由于金刚石的优异的热特性，其在室温下的导热率是Au的导热率的五倍，因此本文中所描述的某些实施例有利地在光斑(例如8-10μm光斑大小)内以基本上比用于如常规源中所使用的块状金属阳极的电子功率密度高的电子功率密度加载阳极。微结构化阳极的其他益处包括：(i)由于入射电子在目标42(具有较高质量密度)的金属材料中与在金刚石衬底44(具有较低质量密度)中的能量沉积率(与质量密度成比例)的差异而引起的微米大小的金属目标42与周围的金刚石衬底44之间的高的温度梯度和/或(ii)小尺寸的微结构目标42具有微结构目标42与金刚石衬底44之间的最大接触。微结构化x射线源40还使得针对目标42能够使用具有对于预期的应用(例如Au)最佳的x射线谱特性和/或否则将会是不切实际的使用的的一种或多种金属材料。

关于增加(例如最大化)x射线荧光横截面σ

σ

其中E

本文中所描述的某些实施例有利地至少部分基于选择激发束的x射线能量以增加(例如最大化)量(E-E

关于减小背景影响(B

在某些实施例中，包括深度递变的多层90的聚焦x射线光学元件70被配置成相对于常规聚焦x射线光学器件(例如包括具有单个Pt层的涂层的x射线光学器件)提供实质性的改进。例如，包括深度递变的多层90的聚焦x射线光学元件70可以包括以下属性：

·通过将8μm源缩小5倍达到的1.6μm分辨率(焦点大小)；

·在小的1.6μm聚焦光斑大小的情况下，x射线荧光信号(F

ο由于多层的布拉格角反射比常规聚焦x射线光学元件的单个Pt涂层的临界角大3倍，多层涂覆的聚焦x射线光学元件从x射线源收集x射线的立体角(表达式(3)中的NA

ο多层反射率为45％(表达式(2)中的η)，

ο焦点大小面积(表达式(3)中的L

ο由于具有Fe、Cu、Zn的较大荧光横截面的Au L线，因此x射线荧光横截面(表达式(2)中的σ

ο将这些因子一起相乘会导致F

·由于在入射的聚焦的x射线束的能量范围内减小(例如减小超过12倍)轫致辐射连续体，减少(例如减少超过12倍)用于使Fe、Cu和Zn成像的5keV-8.9keV的x射线能量范围内的背景计数率B

·增加(例如至少增加3倍＝0.49

在某些实施例中，与其他微型XRF系统相比，3倍的FOM的净增益(表达式(1))由以下各项的组合产生：聚焦的第二x射线束32的荧光横截面的相对增益增加3倍；来自x射线源40的x射线的立体角收集增加9倍；多层反射率偏移45％；不希望的背景减小12倍；以及由于由5倍高分辨率(例如5:1缩小率)引起的面积减小而导致的金属原子数损失25倍。

基于实验室的微型XRF的主要挑战是以足够的灵敏度和可接受的速度使痕量浓度的大量生物学上重要的元素成像，而在高分辨率下进行成像甚至更具挑战性。基于实验室的微型XRF系统的FOM可以指示在高空间分辨率下以足够的检测灵敏度使生物样本中具有痕量级浓度的元素成像所需的时间，这是基于实验室的微型XRF系统的性能的重要测量。本文中所描述的某些实施例可以以比常规系统短的时间量提供这种图像。

在某些实施例中，在深度递变的多层90的大的入射角处，较低能量的x射线(例如高达4keV)可以以相对高的效率被反射，并且这些能量可以高于P和S的K吸收边缘。在某些实施例中，薄膜滤波器(例如约5mm厚的Si)被放置在聚焦的x射线束路径中，以抑制在P和S的荧光线下面的不希望的背景。图7示出了根据本文中所描述的某些实施例的使用5mm厚的Si滤波器抑制在P和S K线荧光下面的不希望的背景。收集来自x射线源40的x射线的立体角的增加导致能量高于P和S的K吸收边缘能量的聚焦的x射线的通量增加(例如增加约5倍，其大约等于9倍乘以图5A和5B中所示出的反射率)。由于分辨率高5倍(例如5:1缩小率)，增加的收集立体角和背景抑制的组合益处可以通过探测面积/体积中P和S原子数量的25倍损耗偏移。该净结果(与其自然更高的浓度组合)为成像提供了足够的荧光信号。

图8A-8D示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的x射线光学系统10的各种其他示例。如图8A-8D示意性图示，至少一个x射线光学元件20(例如反射镜)包括至少一个第一x射线光学元件22(例如反射镜)和至少一个第二x射线光学元件24(例如反射镜)。至少一个第一x射线光学元件22被配置成接收具有第一能谱的第一x射线束12中的至少一部分，并反射第一x射线束12中的该部分的x射线26中的至少一些x射线(例如x射线26可以具有与第一能谱基本上相同或基本上不同的能谱)。至少一个第二x射线光学元件24被配置成接收来自至少一个第一x射线光学元件22的x射线26中的至少一些x射线，透射包括从至少一个第一x射线光学元件22接收到的x射线26的透射(例如非反射和非吸收)部分的第二x射线束32，并反射从至少一个x射线光学元件22接收到的x射线26的反射部分34。与第一能谱相比较，在预定x射线能量范围内，第二x射线束32具有强度降低的第二能谱。如图8B示意性图示，x射线光学系统10还可以包括x射线源40，该x射线源被配置成生成第一x射线束12，并且如图8C和8D示意性图示，x射线光学系统10还可以包括至少一个x射线检测器60，该至少一个x射线检测被配置成检测来自样品50(例如来自由第二x射线束32辐照的第一表面54和/或来自与由第二x射线束32辐照的第一表面54相背的第二表面56)的荧光x射线52。

在某些实施例中，至少一个第一x射线光学元件22包括至少一个x射线聚光器(例如被配置成收集和引导x射线的至少一个x射线光学元件)，该至少一个x射线聚光器具有被配置成接收第一x射线束12的x射线中的至少一些x射线并反射(例如在掠入射；全外反射时)第一x射线束12的接收到的x射线26中的至少一些接收到的x射线的反射界面区(例如表面)。在某些实施例中，至少一个第一x射线光学元件22是单元式的(例如单件)并且关于纵轴轴向对称。例如，至少一个第一x射线光学元件22可以包括中空的轴向对称管或管(例如毛细管)的一部分，该中空的轴向对称管或管(例如毛细管)的一部分沿着纵轴延伸并且包括完全围绕纵轴(例如环绕纵轴；在周围纵轴延伸360度)延伸的内表面(例如反射镜表面)。在某些其他实施例中，至少一个第一x射线光学元件22包括中空的轴向对称结构的至少一部分(例如轴向对称管的一部分)，该结构的至少一部分以仅部分地围绕纵轴(例如小于360度；在45度至360度的范围内；在45度至315度的范围内；在180度至360度的范围内；在90度至270度的范围内)延伸的内表面沿着纵轴延伸。在某些实施例中，至少一个第一x射线光学元件22包括多个部分(例如2个、3个、4个、5个、6个或更多个)，它们彼此分离(例如在各部分之间具有间隔)并围绕纵轴分布，其中每个部分的表面至少部分地围绕纵轴并沿着纵轴延伸。例如，多个部分的表面可以分别在纵轴周围在15度至175度的范围内、在30度至115度的范围内和/或在45度至85度的范围内延伸一角度。在某些其他实施例中，至少一个第一x射线光学元件22包括绕纵轴定位的多个部分(例如包括多个毛细管的多毛细管透镜)。

图9A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的包括至少一个毛细管120的示例第一x射线光学元件22的横截面图。图9A的毛细管120(例如玻璃；石英；硅)是单元式的，并且具有关于毛细管120的纵轴124轴向对称的内表面122。在某些实施例中，内表面122包括至少一个金属层(例如Au；Pt；Ir)，该至少一个金属层被配置成促进x射线被内表面122反射(例如通过增加全外反射的临界角)。如图9A示意性图示，某些实施例的毛细管120包括抛物面形状的反射界面区(例如内表面122)。在某些其他实施例中，毛细管120包括下述反射界面区：该反射界面区具有二次函数形状(例如抛物面形；椭圆形；双曲面形)或近似二次函数形状的部分。对于包括焦点的反射界面区的形状(例如抛物面形；椭圆形；双曲面形)，在某些实施例中，x射线源40的至少一部分被放置在焦点处，而在某些其他实施例中，x射线源40相对于焦点移位。x射线源40可被放置成远离至少一个毛细管120的上游端125(例如在小于10cm的范围内的距离)。与本文中所描述的某些实施例兼容的毛细管反射光学器件120的示例由美国专利第9,874,531号、第9,823,203号、第9,594,036号、第9,570,265号、第9,543,109号、第9,449,781号、第9,448,190号和第9,390,881号公开，每个专利的全部内容通过引用的方式并入本文。

如图9A示意性图示，至少一个第一x射线光学元件22还可以包括沿着与至少一个毛细管120的纵轴124重合的线(例如在至少一个毛细管120的上游端125处或附近；在至少一个毛细管120的下游端127处或附近；在至少一个毛细管120的上游；在至少一个毛细管120的下游)放置的至少一个挡光器80。例如，如图9A示意性图示，第一x射线束12的第一部分冲击毛细管120的内表面122，并且x射线26被内表面122反射(例如形成准直的x射线束)，而第一x射线束12的第二部分传播通过毛细管120的中心区并且不冲击毛细管120的内表面122。某些实施例的至少一个挡光器80包括对x射线不透明的至少一种材料(例如铅)，并且至少一个挡光器80被配置成阻止(例如阻挡)第一x射线束12的第二部分对x射线26的贡献。在某些实施例中，x射线26在垂直于纵轴124的平面上形成具有环形横截面形状的x射线束。

在某些实施例中，x射线26在至少一个第一x射线光学元件22的下游端127处形成具有在小于3mm的范围内(例如在1mm与3mm之间的范围内)的束大小(例如外径)的x射线束。在某些实施例中，由至少一个第一x射线光学元件22接收到的第一x射线束22的部分是发散的(例如具有在5毫弧度至60毫弧度的范围内的第一发散角)，并且某些实施例的x射线26形成准直的x射线束(例如具有在小于两毫弧度、小于1.5毫弧度或小于1毫弧度的范围内的第二发散角)。图9B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的第一x射线束12(例如来自x射线源40的x射线)的示例第一x射线能谱。在某些实施例中，x射线26具有与第一x射线束12的第一x射线能谱基本上相同的x射线能谱，而在某些其他实施例中，x射线26具有与第一x射线束12的第一x射线能谱不同的x射线能谱(例如由于针对至少一个第一x射线光学元件22的全外反射的临界角而具有高能量截止(cutoff))。

图10A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统10，在该系统中至少一个第二x射线光学元件24包括至少一个x射线反射器130(例如包括至少一个镶嵌晶体层和/或至少一个深度递变的多层)。图10B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图10A的第二x射线束32(例如透射通过至少一个x射线反射器130的x射线)的示例第二x射线能谱。图11A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统10，其中至少一个第二光学元件24包括多个(例如两个；三个或更多个)x射线反射器130。图11B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图11A的第二x射线束32(例如透射通过多个x射线反射器130的x射线)的示例第二x射线能谱。图12A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统10，其中至少一个x射线反射器130包括至少一个掠入射反射镜。图12B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图12A的第二x射线束32(例如透射通过至少一个x射线反射器130的x射线)的示例第二x射线能谱。图10A-10B和图11A-11B的至少一个x射线反射器130可以包括至少一个镶嵌晶体层、至少一个深度递变的多层反射器和/或至少一个掠入射反射镜，如本文中所描述。

至少一个x射线反射器130被配置成反射x射线26中具有在至少一个预定能量范围内的能量的第一部分132，并且透射x射线26中具有在至少一个预定能量范围之外的能量的第二部分。如本文中所描述，x射线26中的透射的第二部分用作辐照正被分析的样品的第二x射线束32，第二x射线束32基本上由透射通过至少一个x射线反射器130的非反射x射线中的至少一些非反射x射线组成。

例如，至少一个x射线反射器130可以包括在衬底(例如硅或玻璃，其厚度在0.2毫米至1毫米的范围内)上的至少一个镶嵌晶体层。与本文中所描述的某些实施例兼容的至少一个镶嵌晶体层的示例材料包括但不限于高度定向的热解石墨(HOPG)或高度对准的热解石墨(HAPG)。镶嵌晶体层包括以镶嵌度(例如晶面定向的范围；晶面的法线方向的范围)相对于彼此倾斜的多个晶体部分(例如域；微晶)。在某些实施例中，镶嵌度小于三度。包括至少一个镶嵌晶体层和衬底的某些实施例的x射线反射器130的厚度在0.5mm至3mm的范围内，并且镶嵌晶体层包括低原子序数材料(例如碳；硅；石英)，以使得镶嵌晶体层对x射线26的吸收低于预定的上限(例如小于20％；小于10％；小于5％；小于3％)。在某些实施例中，至少一个镶嵌晶体层是平面的，而在某些其他实施例中，至少一个镶嵌晶体层是弯曲的或折弯的(例如可控制地弯折以调整x射线26冲击晶体部分的入射角)。在某些实施例中，至少一个镶嵌晶体层被定向以使得至少一个镶嵌晶体层的表面相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直的x射线束)在6度至20度的范围内、在15度至40度的范围内、在40度至50度的范围内或在40度至65度的范围内。

冲击镶嵌晶体层的x射线26中的至少第一部分132满足针对镶嵌晶体层的晶体部分中的至少一些晶体部分的布拉格反射条件。布拉格反射条件可以表达为：2d·sinθ＝n·λ，其中d是晶体部分的晶体平面(例如碳层)之间的晶面间距，θ是x射线相对于晶体部分的晶体平面的入射角，n是反射的整级数，并且λ是入射x射线的波长(其中x射线波长与x射线能量相关，关系为：E＝h·c/λ，其中E是能量，h是普朗克常数，并且c是光速)。满足针对镶嵌晶体层的晶体部分中的至少一些晶体部分的布拉格反射条件的x射线26中的第一部分132被镶嵌晶体层反射。不满足镶嵌晶体层的任何晶体部分的布拉格反射条件的x射线26中的其余部分没有被镶嵌晶体层反射，而是透射通过镶嵌晶体层(例如基本上没有衰减)，从而形成第二x射线束32。

在某些实施例中，由于镶嵌晶体层中的晶体部分当中的轻微未对准和入射x射线26的小发散角，在窄波长范围内的x射线26中的一些x射线会找到满足布拉格反射条件的晶体部分，并且会被镶嵌晶体层反射，以便对第二x射线束32无影响。镶嵌晶体层可以被配置成具有镶嵌度并且相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直x射线束)被定向，以反射具有含预定中心值和预定带宽的能量范围(例如具有下限和上限的范围)的x射线，从而阻止范围内(例如下限与上限之间)的x射线对第二x射线束32有影响。

针对另一示例，至少一个x射线反射器130可以包括至少一个深度递变的多层反射器，其示例由图3C示意性图示。深度递变的多层反射器包括具有在0.5mm至3mm的范围内或在0.2mm至1mm的范围内的厚度的衬底(例如包括低原子序数材料，诸如硅、石英、玻璃或铝)和在衬底的表面上的深度递变的多层涂层。深度递变的多层反射器对x射线26的吸收低于预定值(例如小于20％；小于10％；小于5％；小于3％)。在某些实施例中，至少一个深度递变的多层反射器被定向以使得至少一个深度递变的多层反射器的表面相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直的x射线束)在3度至15度的范围内、在10度至40度的范围内或在40度至50度的范围内。

某些实施例的至少一个深度递变的多层包括多个层对(例如具有高原子序数材料和低原子序数材料的、在垂直于层的方向上交替的层对或双层对)。层对的厚度彼此不同(例如相继的高原子序数材料层之间的间距彼此不同)。例如，每个层对可以包括第一层(包括第一材料)和第二层(包括第二材料)(例如Pt/Si层对；Pt/B

冲击深度递变的多层反射器的x射线26中的至少第一部分132满足针对深度递变的多层涂层中的至少一些层的布拉格反射条件(2d·sinθ＝n·λ)，其中d是高原子序数材料层之间的间距(例如Pt、W、Mo、Ni或Cu层之间的间距)。满足针对至少一些层的布拉格反射条件的x射线26中的第一部分132被深度递变的多层涂层反射。不满足针对深度递变的多层涂层的任何层的布拉格反射条件的x射线26中的其余部分不被深度递变的多层涂层反射，而是透射通过深度递变的多层涂层和衬底(例如基本上没有衰减)，从而形成第二x射线束32。

在某些实施例中，由于深度递变的多层涂层的各层的厚度的变化，在窄波长范围内的入射x射线26会找到满足布拉格反射条件的层间距，并且将被深度递变的多层涂层反射，以便对第二x射线束32无影响。深度递变的多层反射器可以相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直x射线束)被定向，以反射具有含预定中心值和预定带宽的能量范围(例如具有下限和上限的范围)的x射线26，从而阻止范围内(例如下限与上限之间)的x射线26对第二x射线束32有影响。

如图10B示意性图示，第二x射线束32的第二x射线能谱具有预定能量范围(例如“陷波”)，在该预定能量范围中，x射线强度(例如通量)相比第一x射线束12的x射线能谱被至少一个x射线反射器130减小(例如减小至少80％；减小至少90％；减小至少95％)(例如由图9B示意性图示)。另外，第二x射线束32在低于预定值(例如4keV)的能量处的第二x射线能谱的x射线强度(例如通量)相比第一x射线束12的第一x射线能谱被降低(例如减小至少80％；减小至少90％；减小至少95％)(例如由图9B示意性图示)。

如图10B示意性图示，在预定能量范围的上限和下限处的第二x射线能谱具有尖锐的边缘。与用于减小x射线通量的常规透射滤波器相比，本文中所描述的某些实施例提供了足够尖锐的上限边缘，以使得可以将上限边缘选择为在x射线吸收边缘与待使用x射线荧光系统分析的元素(例如Cu)的x射线荧光线之间(例如上限边缘的半峰半宽宽度小于x射线吸收边缘与待分析的x射线荧光线之间的能量差)。

图11A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统10，在该系统中至少一个第二x射线光学元件24包括多个(例如两个；三个或更多个)x射线反射器130。例如，包括第一衬底和在第一衬底上的至少一个第一层(例如至少一个镶嵌晶体层和/或至少一个深度递变的多层)的第一x射线反射器130a相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直x射线束)以第一角度被定向，并且包括第二衬底和在第二衬底上的至少一个第二层(例如至少一个镶嵌晶体层和/或至少一个深度递变的多层)的第二x射线反射器130b相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直x射线束)以不同于第一角度的第二角度被定向。第一x射线反射器130a被配置成反射x射线26中的第一部分132a，并且第二x射线反射器130b被配置成接收来自第一x射线反射器130a的非反射x射线中的至少一些非反射x射线(例如透射通过第一x射线反射器130a的x射线)并被配置成反射x射线26中的第二部分132b，以使得第一部分132a和第二部分132b对第二x射线束32无影响，以使得第二x射线束32基本上由来自第二x射线反射器130b的非反射x射线中的至少一些非反射x射线(例如透射通过第二x射线反射器130b的x射线)组成。

图11B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的图11A的第二x射线束32(例如透射通过两个x射线反射器130a、130b的x射线)的示例第二x射线能谱。例如，第一x射线反射器130a可以被配置成提供包括感兴趣的第一x射线荧光线的第一“陷波”能量范围，并且第二x射线反射器130b可以被配置成提供包括感兴趣的第二x射线荧光线的第二“陷波”能量范围(例如在7.9keV处的Hf L

在图12A-12B的示例系统中，至少一个x射线反射器130包括根据本文中所描述的某些实施例的至少一个掠入射反射镜。例如，掠入射反射镜可以包括具有厚度在0.001mm至0.05mm的范围内或在0.05mm至0.2mm范围内的衬底(例如包括低原子序数材料，诸如硅、石英、玻璃或铝)和在衬底的表面上的包括一个或多个层(例如包括高原子序数材料，诸如Au、Ir、Pt、W、Cu或Mo)的涂层。掠入射反射镜对x射线26的吸收低于预定值(例如小于20％；小于10％；小于5％；小于3％)。在某些实施例中，掠入射反射镜是平面的，而在某些其他实施例中，掠入射反射镜是弯曲的或折弯的。在某些实施例中，至少一个掠入射反射镜被定向以使得掠入射反射镜的表面相对于x射线26(例如相对于包括x射线26的准直x射线束)在1度至10度的范围内或在0.5度至5度的范围内。

x射线26中的冲击掠入射反射镜的至少第一部分132包括下述x射线：这些x射线的掠入射角小于被掠入射反射镜全外反射的临界角(例如低能量x射线；能量低于1keV、3keV或5keV的x射线)，并且这些x射线被掠入射反射镜反射。x射线26中的掠入射角大于全外反射的临界角的其余部分(例如，较高能量x射线；能量高于1keV、3keV或5keV的x射线)不被掠射入射反射镜反射并被透射通过掠射入射反射镜(例如基本上没有衰减)，从而形成第二x射线束32(例如第二x射线束32基本上由来自至少一个x射线反射器130的非反射x射线中的至少一些非反射x射线组成)。

如由图12B示意性图示，透射通过掠入射反射镜的第二x射线束32的第二x射线能谱在低于预定“截止”值(例如4keV)的能量处的x射线强度(例如通量)相比第一x射线束12的第一x射线能谱被降低(例如降低至少80％；降低至少90％；降低至少95％)(例如由图9B示意性图示)。在某些实施例中，x射线26到掠入射反射镜上的入射角(例如相对于临界角)是可调整的，以便调整x射线26中的部分的预定“截止”值。

图13A示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的示例系统10，该示例系统包括第一x射线反射器130(例如第一掠入射反射镜)和第二x射线反射器134(例如第二掠入射反射镜)。第二x射线反射器134被配置成基本上反射x射线26中的第一部分132的x射线136，而基本上不反射x射线26中的第一部分132的其余部分。图13B示意性地图示了根据本文中所描述的某些实施例的第二x射线束32和从图13A的第二x射线反射器134反射的x射线136的示例第二x射线能谱。

例如，冲击第二x射线反射器134(例如第二掠入射反射镜)的x射线26中的第一部分132的至少一些x射线136的掠入射角低于被第二x射线反射器134全外反射的临界角(例如低能量x射线；能量低于1keV、3keV或5keV的x射线)并且被第二x射线反射器134反射(例如x射线136被反射两次，一次被第一x射线反射器130反射，另一次被第二x射线反射器134反射)。x射线26中的第一部分132的其余x射线(掠入射角大于被第二x射线反射器134全外反射的临界角)(例如较高能量x射线；能量高于1keV、3keV或5keV的x射线)不被第二x射线反射器134反射，而是透射通过第二x射线反射器134。

在某些实施例中，如由图13A示意性图示，第一x射线反射器130和第二x射线反射器134可以被配置成使得第二x射线束32和至少一些“两次反射”的x射线136(例如x射线26中的冲击第二x射线反射器134的第一部分132中的x射线)辐照样品50。在某些实施例中，x射线136冲击样品50的第一区，该第一区与样品50的被第二x射线束32冲击的第二区相同，而在某些其他实施例中，样品50的被x射线136冲击的第一区不同于样品50的被第二x射线束32冲击的第二区(例如第一区与第二区部分重叠)。

在某些实施例中，第一x射线反射器130被配置成反射在具有第一上限(例如4keV、5keV、6keV)的第一能量范围内的x射线132，并且第二x射线反射器134被配置成反射具有低于第一上限的第二上限(例如2keV、3keV、4keV)的第二能量范围内的x射线136。如与第一x射线束12的x射线能谱相比较，第一上限与第二上限之间的能量范围可以具有降低的x射线强度(例如通量)(例如降低至少80％；降低至少90％；降低至少95％)(例如由图9B示意性图示)。以此方式，某些实施例被配置成执行对高原子序数元素(例如使用冲击样品50的第二x射线束32的x射线能谱的高能部分)和对低原子序数元素(例如使用冲击样品50的“两次反射”x射线136的x射线能谱的低能量部分)的x射线荧光分析。在某些实施例中，x射线26到第一x射线反射器130上的入射角是可调整的，并且x射线132到第二x射线反射器134上的入射角是可调整的(例如相对于相应的临界角以略微不同的掠射角来调整)，以便调整x射线26中的不冲击样品50的部分(例如x射线26中的在第二x射线束32或x射线136中不包括的部分；以便切除低能谱中的不希望的部分)。

图14是根据本文中所描述的某些实施例的执行x射线荧光分析的示例方法200的流程图。在操作框210中，方法200包括接收具有第一能谱和第一空间分布的x射线。在操作框220中，方法200还包括反射接收到的x射线中的至少一些接收到的x射线，反射的x射线具有第二能谱和第二空间分布。在操作框230中，方法200还包括通过多层反射(例如从多层和/或镶嵌晶体层中进行的满足布拉格反射条件的反射)和/或全外反射将反射x射线分离成冲击样品的第一部分和具有预定x射线能量范围的第二部分。第一部分具有第三能谱，该第三能谱在预定x射线能量范围内的强度相比与第二能谱相比较被降低。在某些实施例中，第一部分的x射线中的至少一些x射线被配置成在样品内激发x射线荧光，x射线荧光包括在预定x射线能量范围内的x射线荧光线。在某些实施例中，方法200还包括反射第二部分的一些x射线以冲击样品。

除非以其他方式具体说明，或在如所使用的上下文内以其他方式理解，否则条件语言(诸如能够、可、可能或可以)一般旨在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言一般不旨在暗示特征、元件和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例都是必需的。

除非以其他方式具体说明，否则连接语言(诸如“X、Y和Z中的至少一个”)应在一般用于传达项目、术语等可以是X、Y或Z的上下文内被理解。因此，这种连接语言一般不旨在暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个的存在。

如本文中所使用的程度语言(诸如术语“大约”、“约”、“一般”和“基本上”)表示接近陈述值、数量或特征的仍执行期望的功能或实现期望的结果的值、数量或特征。例如，术语“大约”、“约”、“一般”和“基本上”可以指在陈述量的±10％之内、±5％之内、±2％之内、±1％或±0.1％之内的量。作为另一示例，术语“一般平行”和“基本上平行”是指与精确平行偏离±10度、±5度、±2度、±1度或±0.1度的值、数量或特征，并且术语“一般垂直”和“基本上垂直”是指与精确垂直偏离±10度、±5度、±2度、±1度或±0.1度的值、数量或特征。

上文已经描述了各种配置。尽管已经参考这些特定配置描述了本发明，但是描述旨在是对本发明的说明而不旨在是限制性的。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以想到各种修改和应用。因此，例如，在本文中所公开的任何方法或过程中，构成方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定公开的顺序。来自上文所讨论的各种实施例和示例的特征或元件可以彼此组合以产生与本文中所公开的实施例兼容的备选配置。已经在适当的地方描述了实施例的各个方面和优点。应当理解，根据任何特定实施例，不一定可以实现所有这种方面或优点。因此，例如，应该认识到，可以以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式实施各种实施例，而不必实现如本文中可以教导或建议的其他方面或优点。