同步辐射元素成像技术

同步辐射元素成像技术在环境科学研究中的应用元素成像：样品内元素的空间分布同步辐射：电子运动的方向发生变化时在切线方向产生电磁辐射1947年,在电子同步加速器上首次观察到，命名为synchrotronradiation同步辐射的特点高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。高准直：同步辐射的发射度极小，准直性可以与激光相媲美。BSRFBSRF：直线加速器200米储存环周长240米，电子能量-2GeVSSRF储存环周长432米，光子能量为0.1~40keV，电子能量3.5GeVSpring-8大储存环直径457米，周长约1436米，电子能量3.5GeV。直线加速器部分长140米同步辐射的发展第一代同步辐射光源.在核物理/粒子物理研究的空挡，利用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方式。北京高能所同步辐射装置(BSRF)。第二代同步辐射光源.第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置。第三代同步辐射光源.科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。上海光源（SSRF）。元素成像原理Anelectronintheinnershell(e.g.Kshell)isejectedfromtheatombyanexternalprimaryexcitationx-ray,creatingavacancy.Anelectronfromoutershelljumpsintofillthevacancy.Intheprocess,itemitsacharacteristicx-rayuniquetothiselementandinturn,producesavacancyintheoutershell.RFPrimaryX-rayXRFAugerelectron元素成像原理荧光产额较低的原子序数Z的元素，荧光产额较低原则上，可测元素Z4实际工作中Z11（空气吸收）光线能量同步辐射元素成像设备光学部分成像设备Detectionlimit:10-18g，~103atomsNatPhys,2006,2:101–104lateralresolution:50nmAnalChem,2003,75:3806–3816样品测试部分信号处理部分XRFspectraTypicalenergydispersiveXRFspectrumforamulti-elementstandardE:qualitativeanalysispeakeara:quautification生物样品中微量元素的空间分布吸收、转运、蓄积、代谢生理生化功能作用机制实例1mmSchematicdrawingofanatomicalstructuresofanadulthermaphroditeC.elegansElementaldistributioninC.eleganswhichwasfedbyE.coliOP50+PBS(A),E.coliOP50+nanoCu(B),andE.coliOP50+Cu2+(C).JAAS,2008,23,1121–1124模式动物2D3.5×5.0μmatBL-4Ain,KEKCyclotellameneghinianaaccountfor20%ofglobalcarbonfixation.facilitatethetransportofphotosyntheticallyfixedCO2fromthesurfaceoceantodeepwater,10μm制样细胞悬液滴加在电镜栅网上，自然风干定量XRFstandardsNIST1832,1833Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolutionPNAS,2010，107，15676-15680XRFmicroprobeatbeamline2-ID-EoftheAdvancedPhotonSourceFollowingmonochromationtheX-raybeamwasfocusedtoaspotofapproximately270nmdiameterusingaFresnelzone-plateobjective.Fluorescencespectrawererecordedat150nmintervalsasthespecimenwasrasterscannedthroughthefocusoftheX-raybeamtoobtain2Dprojectionimages.Thefluxtransmittedbythesamplewasmonitoredusingbothanionchamberandaconfigureddetector.Arotationserieswasobtainedbyacquiringsuchimageswiththespecimenorientedat24differentangleswithrespecttoaverticalrotationaxis.Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolutionPNAS,2010，107，15676-15680240,000single-point24projections36h(0.1S/pixel)Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolutionPNAS,2010,107,15676-15680Cyclotellameneghiniana中元素的3D分布P,K,Ca分布的细胞器官类似，少量Mn存在于同一区域Si主要分布在细胞壁，Fe、Mn在细胞壁呈环状分布Cl,Cu,Zn，S分布于沿硅藻内轴向分布的柱状区域内元素总含量相差3个数量级8μgforSi，2ngforMn.各元素分布图叠加PNAS,2010,107,15676-15680沿硅藻轴向分布的柱状细胞结构为细胞质，主要含Cl,Cu,Zn,和S，这些元素在细胞膜内侧也有一薄层分布三个球状细胞器主要含K,P和Ca，也有少量Mn,Cu和Ni;其中两个与柱状结构连接，一个位于硅藻瓣端C.meneghinianas三维结构的元素分布细节PNAS,2010,107,15676-15680(A–C)Si(灰)，Fe(橙)，Mn(红)在硅藻纵断面上的分布.A三元素分布细节，在含Si的硅藻细胞壁上还含有Fe和Mn.二者在细胞壁特定部位呈环状分布。Mn结合于硅藻瓣面和环带交界的富硅环状结构上。BSi和Mn分布，在细胞下部一个硅化较轻的环状区正好与Fe环状结构之一重合。该区域正是细胞伸展区，靠近硅藻细胞膜上壳和较小的新形成的子壳之间的连接区。C表示Mn和Fe的分布,在瓣与环带链接区有一个Fe、Mn共存区。(D–F)P(蓝),S(黄),Cl(黄绿),和Zn(紫)在硅藻纵向切片上的分布以及他们间的联系。两个主要的含磷结构，S和Cl共存于中央独立的柱状结构以及紧邻细胞膜下细胞质内的局部区域，含磷细胞器与柱状结构链接，大的液泡空腔，Zn在柱状结构内富集，Zn与S、Cl相关。(G)硅藻的横断截面表明柱状结构和空泡，两个含磷结构与柱状结构相连。实测值和重建数据（36.0°）实测值体现了硅藻的真实结构，Si,Fe,和Mn界定了硅藻的细胞膜，Ca,K,和P在三个球状细胞器内，Zn,Cu,S分布于细胞质.重建数据与实测值无明显差别，重建效果好。大多数情况下，实测值和重建值之间的差别在2-3像素之内，据此估计成像分辨率在400nm左右。PNAS,2010,107,15676-15680XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern蜈蚣草PterisvittataSpotsize15or5μmdiameterfocusedbytaperedmetalmonocapillaries鲜活组织，室温，潮湿定量：0.2μL5mMArsenate滴于滤纸metalmonocapillariesBL9-3atSSRLGedetectorLocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFernLocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFernAs(glutathione)311869.8eVArsenite11871.4eVArsenate11874.8eVEST,2006,40,5010-5014LocalizingtheBiochemicalTransformationsOfArsenateinaHyperaccumulatingFernXAS成像EST,2006,40,5010-5014XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern方法评价非破坏性制样简单避免污染后续研究灵敏度高多元素分析高通量元素间的相互作用空间分辨率BiologicalSamplesSR45°Si(Li)detectorAmplifierMCAComputerSlitIonizationchamberSamplemovingdirectionIEFseparationSIGOUTReconstructionSRXRFanalysisProteinextraction05001000150020000100200300400CountsChannelDetectionofmetalloproteinswithSRXRFafterelectrophoresisGaoY,Anal.Chem.Acta,2003,485(1):131-137GaoY,Analyst,2002,127,1400-1404GaoY,JAAS,2007,22,856–866Detectionofmercury-,arsenic-,andselenium-containingproteinsinfishliverfromamercurypollutedareaofGuizhouProvince,ChinawithSRXRFafterIEFSe/As/Hgoftenco-existinthesameband,suggestingthatThebandsmaybecorrespondingtotheantagonisticeffectofSeagainstthetoxicityofHgandAs,HgandAsmaybeinvolvedinthesamemetabolicprocesses.北京鳙鱼1肝上清液As,Hg,Se含量030060090012001500246810pIAs,Hg,Se含量北京鳙鱼1As北京鳙鱼1Hg北京鳙鱼1Se贵州鳙鱼肝上清液As,Hg,Se含量010002000300040005000600070002345678910pIAs,Hg,Se含量贵州鳙鱼As贵州鳙鱼Hg贵州鳙鱼Se贵州草鱼2肝上清液As,Hg,Se含量01002003004002345678910pIAs,Hg,Se含量贵州草鱼2As贵州草鱼2Hg贵州草鱼2Se北京草