同步辐射元素成像技术

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）。
XRF spectra
Biblioteka Baidu
Typical energy dispersive XRF spectrum for a multi-element standard E: qualitative analysis peak eara: 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
240,000 single-point 24 projections
36 h (0.1 S/pixel)
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 270 nm diameter using a Fresnel zone-plate objective. Fluorescence spectra were recorded at 150 nm 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. A rotation series was obtained by acquiring such images with the specimen oriented at 24 different angles with respect to a vertical rotation axis.


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。
BSRF
BSRF ： 直 线 加 速 器 200米 储 存 环 周 长 240 米 ， 电子能量-2 GeV
SSRF 储存环周长432米，光子能量为0.1~40 keV ，电子能量3.5GeV
Spring-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



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 8 μg for Si ， 2 ng for Mn.
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

制样 细胞悬液滴加在电镜栅网上，自然风干 定量 XRF standards NIST 1832 ,1833
Quantitative 3D elemental microtomography of Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution PNAS, 2010，107，15676-15680
模式动物 2D
3.5×5.0 μm at BL-4A in, KEK Schematic drawing of anatomical structures of an adult hermaphrodite C. elegans
1 mm
Elemental distribution in C. elegans which was fed by E. coli OP50+ PBS (A), E. coli OP50 + nano Cu (B), and E. coli OP50 +Cu2+ (C).
JAAS, 2008, 23, 1121–1124
Quantitative 3D elemental microtomography of Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution PNAS, 2010，107，15676-15680 Cyclotella meneghiniana account for 20% of global carbon fixation. facilitate the transport of photosynthetically fixed CO2 from the surface ocean to deep water , 10μm

(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。 B Si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。
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
IEF separation
Slit
45°
Si(Li) detector
Sample moving direction
Reconstruction
400
SR
Ionization chamber
Amplifier MCA
C o u n ts
300
200
Gao Y, Anal. Chem. Acta, 2003, 485(1): 131-137 Gao Y, Analyst, 2002, 127, 1400-1404 Gao Y, JAAS, 2007, 22, 856–866
PNAS, 2010, 107, 15676-15680
XAS 成像
Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
蜈蚣草
Pteris vittata
Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
EST, 2006, 40, 5010-5014
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
Detection of metalloproteins with SRXRF after electrophoresis
Protein Biological extraction Samples
XAS 成像
Localizing the Biochemical Transformations Of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
EST, 2006, 40, 5010-5014
XAS 成像
Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
As(glutathione)3 11869.8 eV Arsenite 11871.4 eV Arsenate 11874.8 eV


Spot size 15 or 5 μm diameter focused by tapered metal monocapillaries 鲜活组织，室温，潮湿 定量：0.2μL 5 mM Arsenate滴于滤纸
BL 9-3 at SSRL
metal monocapillaries
Ge detector
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Z>4 实际工作中 Z>11 （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
样品测试部分 信号处理部分
Detection limit: 10-18 g， ~103 atoms Nat Phys,2006, 2:101–104 lateral resolution: 50 nm Anal Chem, 2003, 75:3806–3816
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 synchrotron radiation
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。
元素成像原理
XRF RF Auger electr on
Primary X-ray
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 turn, produces a vacancy in the outer shell.