同步辐射元素成像技术说课讲解

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
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。
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
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
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
XRF spectra
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
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
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。
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
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。
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
XRRFF 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.
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Fra Baidu bibliotek
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
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.