1、同步輻射元素成像技術(shù)在環(huán)境科學(xué) 研究中的應(yīng)用,元素成像：樣品內(nèi)元素的空間分布 同步輻射：電子運動的方向發(fā)生變化時在切線方向產(chǎn)生電磁輻射 1947年, 在電子同步加速器上首次觀察到，命名為 synchrotron radiation,同步輻射的特點,高亮度：同步輻射的亮度比最強的X光管特征線亮度強萬倍以上。用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要幾秒。 寬波譜：覆蓋了紅外、可見、紫外和X光波段。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進行單色光的實驗。 高準直：同步輻射的發(fā)射度極小，準直性可以與激光相媲美。,BSRF,BSRF：直線加速器200米 儲存環(huán)周

2、長240米，電子能量-2 GeV,SSRF 儲存環(huán)周長432米，光子能量為0.140 keV ，電子能量3.5GeV,Spring-8 大儲存環(huán)直徑457米，周長約1436米，電子能量3.5GeV 。直線加速器部分長140米,同步輻射的發(fā)展,第一代同步輻射光源. 在核物理/粒子物理研究的空擋，利用同步加速器所發(fā)射的同步光進行科學(xué)研究,稱為寄生方式。北京高能所同步輻射裝置(BSRF) 。 第二代同步輻射光源. 第一代同步輻射光源已不能滿足研究需求，建立了用專門的裝置產(chǎn)生同步光,例如合肥同步輻射裝置。 第三代同步輻射光源. 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在儲存環(huán)中加入插入件可以使同步輻射的亮度再提高千倍以上，得到的同

3、步輻射主要來自插入件。上海光源（SSRF）。,元素成像原理,An electron in the inner shell (e.g. K shell) is ejected from the atom by an external primary excitation x-ray, creating a vacancy. An electron from outer shell jumps in to fill the vacancy. In the process, it emits a characteristic x-ray unique to this element and in t

4、urn, produces a vacancy in the outer shell.,元素成像原理,熒光產(chǎn)額 較低的原子序數(shù)Z的元素，熒光產(chǎn)額較低 原則上， 可測元素Z4 實際工作中 Z11 （空氣吸收） 光線能量,同步輻射元素成像設(shè)備,光學(xué)部分,成像設(shè)備,Detection limit: 10-18 g， 103 atoms Nat Phys,2006, 2:101104 lateral resolution: 50 nm Anal Chem, 2003, 75:38063816,樣品測試部分,信號處理部分,XRF spectra,Typical energy dispersive XRF

5、 spectrum for a multi-element standard E: qualitative analysis peak eara: quautification,生物樣品中微量元素的空間分布,吸收、轉(zhuǎn)運、蓄積、代謝 生理生化功能 作用機制 實例,1 mm,Schematic drawing of anatomical structures of an adult hermaphrodite C. elegans,Elemental distribution in C. elegans which was fed by E. coli OP50+ PBS (A), E. coli

6、 OP50 + nano Cu (B), and E. coli OP50 +Cu2+ (C).,JAAS, 2008, 23, 11211124,模式動物 2D,3.55.0 m at BL-4A in, KEK,Cyclotella meneghiniana account for 20% of global carbon fixation. facilitate the transport of photosynthetically fixed CO2 from the surface ocean to deep water , 10m 制樣 細胞懸液滴加在電鏡柵網(wǎng)上，自然風(fēng)干 定量 X

7、RF standards NIST 1832 ,1833,Quantitative 3D elemental microtomography of Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution PNAS, 2010，107，15676-15680,XRF microprobe at beamline 2-ID-E of the Advanced Photon Source Following monochromation the X-ray beam was focused to a spot of approximately 270nm diame

8、ter using a Fresnel zone-plate objective. Fluorescence spectra were recorded at 150nm intervals as the specimen was raster scanned through the focus of the X-ray beam to obtain 2D projection images. The flux transmitted by the sample was monitored using both an ion chamber and a configured detector.

9、 A rotation series was obtained by acquiring such images with the specimen oriented at 24 different angles with respect to a vertical rotation axis.,Quantitative 3D elemental microtomography of Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution PNAS, 2010，107，15676-15680,240,000 single-point 24 projection

10、s 36 h (0.1 S/pixel),Quantitative 3D elemental microtomography of Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution PNAS, 2010, 107, 15676-15680,Cyclotella meneghiniana中元素 的3D 分布 P, K, Ca 分布的細胞器官類似，少量Mn存在于同一區(qū)域 Si 主要分布在細胞壁，F(xiàn)e、Mn在細胞壁呈環(huán)狀分布 Cl, Cu, Zn，S分布于沿硅藻內(nèi)軸向分布的柱狀區(qū)域內(nèi) 元素總含量相差3個數(shù)量級 8g for Si ， 2ng for Mn.,各

11、元素分布圖疊加PNAS, 2010, 107, 15676-15680,沿硅藻軸向分布的柱狀細胞結(jié)構(gòu)為細胞質(zhì)，主要含Cl, Cu, Zn, 和 S，這些元素在細胞膜內(nèi)側(cè)也有一薄層分布 三個球狀細胞器主要含K, P和Ca，也有少量 Mn, Cu和Ni; 其中兩個與柱狀結(jié)構(gòu)連接，一個位于硅藻瓣端,C. meneghinianas三維結(jié)構(gòu)的元素分布細節(jié)PNAS, 2010, 107, 15676-15680,(AC) Si (灰)， Fe (橙) ， Mn (紅)在硅藻縱斷面上的 分布. A 三元素分布細節(jié)，在含Si的硅藻細胞壁上還含有Fe和Mn. 二者在細胞壁特定部位呈環(huán)狀分布。 Mn 結(jié)合于硅藻

12、瓣面和環(huán)帶交界的富硅環(huán)狀結(jié)構(gòu)上。 B Si和Mn分布，在細胞下部一個硅化較輕的環(huán)狀區(qū)正好與Fe環(huán)狀結(jié)構(gòu)之一重合。該區(qū)域正是細胞伸展區(qū)，靠近硅藻細胞膜上殼和較小的新形成的子殼之間的連接區(qū)。C 表示 Mn和 Fe的分布, 在瓣與環(huán)帶鏈接區(qū)有一個Fe、Mn共存區(qū) 。 (DF) P (藍), S (黃), Cl (黃綠), 和Zn (紫)在硅藻縱向切片上的分布以及他們間的聯(lián)系。兩個主要的含磷結(jié)構(gòu)，S和Cl共存于中央獨立的柱狀結(jié)構(gòu)以及緊鄰細胞膜下細胞質(zhì)內(nèi)的局部區(qū)域，含磷細胞器與柱狀結(jié)構(gòu)鏈接，大的液泡空腔，Zn在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)富集，Zn與S、Cl相關(guān)。 (G) 硅藻的橫斷截面表明柱狀結(jié)構(gòu)和空泡，兩個含磷結(jié)構(gòu)與

13、柱狀結(jié)構(gòu)相連。,實測值和重建數(shù)據(jù)（36.0）,實測值體現(xiàn)了硅藻的真實結(jié)構(gòu)，Si, Fe, 和 Mn界定了硅藻的細胞膜，Ca, K, 和 P 在三個球狀細胞器內(nèi)， Zn, Cu, S 分布于細胞質(zhì). 重建數(shù)據(jù)與實測值無明顯差別，重建效果好。 大多數(shù)情況下，實測值和重建值之間的差別在2-3像素之內(nèi)，據(jù)此估計成像分辨率在400nm左右。 PNAS, 2010, 107, 15676-15680,XAS 成像,Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern,蜈蚣草 Pteris vit

14、tata,Spot size 15 or 5 m diameter focused by tapered metal monocapillaries 鮮活組織，室溫，潮濕 定量：0.2L 5 mM Arsenate滴于濾紙,Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern,Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern,As(glutathione)3 11869

15、.8 eV Arsenite 11871.4 eV Arsenate 11874.8 eV,EST, 2006, 40, 5010-5014,Localizing the Biochemical Transformations Of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern,XAS 成像,EST, 2006, 40, 5010-5014,XAS 成像,Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern,方法評價,非破壞性 制樣簡單 避免污染 后續(xù)研究

16、 靈敏度高 多元素分析 高通量 元素間的相互作用 空間分辨率,Biological,Samples,SR,45,Si(Li) detector,Amplifier,MCA,Computer,Slit,Ionization,chamber,Sample moving,direction,IEF,separation,SIGOUT,Reconstruction,Protein,extraction,Detection of metalloproteins with SRXRF after electrophoresis,Gao Y, Anal. Chem. Acta, 2003, 485(1):

17、131-137 Gao Y, Analyst, 2002, 127, 1400-1404 Gao Y, JAAS, 2007, 22, 856866,Detection of mercury-, arsenic-, and selenium-containing proteins in fish liver from a mercury polluted area of Guizhou Province, China with SRXRF after IEF,Se /As /Hg often co-exist in the same band, suggesting that The band

18、s may be corresponding to the antagonistic effect of Se against the toxicity of Hg and As, Hg and As may be involved in the same metabolic processes.,Li LN, J Toxicol Env Health, A, 2008, 71: 12661269,Imaging Metals in Proteins after native Electrophoresis,XRF map of a one-dimensional native-PAGE blot of multiple metalloproteins. (Upper right) Photograph of blot. (Upper left) Zinc map shows zinc present in carbonic anhydrase (CA). (Lower left) Iron map shows iron present in hemoglobin (Hb). (Lower right) Copper map shows copper present i