同步辐射元素成像技术详解

同步辐射元素成像技术详解演示文稿当前第1页\共有39页\编于星期三\21点优选同步辐射元素成像技术当前第2页\共有39页\编于星期三\21点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。当前第3页\共有39页\编于星期三\21点BSRFBSRF：直线加速器200米储存环周长240米，电子能量-2GeV当前第4页\共有39页\编于星期三\21点SSRF储存环周长432米，光子能量为0.1~40keV，电子能量3.5GeV当前第5页\共有39页\编于星期三\21点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米当前第6页\共有39页\编于星期三\21点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）。当前第7页\共有39页\编于星期三\21点元素成像原理Anelectronintheinnershell(e.g.Kshell)isejectedfromtheatombyanexternalprimaryexcitationx-ray,creatingavacancy.Anelectronfromoutershell"jumpsin"tofillthevacancy.Intheprocess,itemitsacharacteristicx-rayuniquetothiselementandinturn,producesavacancyintheoutershell.RF

PrimaryX-ray

XRFAugerelectron当前第8页\共有39页\编于星期三\21点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）光线能量当前第9页\共有39页\编于星期三\21点同步辐射元素成像设备

光学部分当前第10页\共有39页\编于星期三\21点成像设备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当前第11页\共有39页\编于星期三\21点XRFspectraTypicalenergydispersiveXRFspectrumforamulti-elementstandardE:qualitativeanalysispeakeara:quautification当前第12页\共有39页\编于星期三\21点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当前第13页\共有39页\编于星期三\21点1mmSchematicdrawingofanatomicalstructuresofanadulthermaphroditeC.elegans

ElementaldistributioninC.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

当前第14页\共有39页\编于星期三\21点Cyclotellameneghiniana

accountfor20%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-nmresolution

PNAS,2010，107，15676-15680当前第15页\共有39页\编于星期三\21点XRFmicroprobeatbeamline2-ID-EoftheAdvancedPhotonSource

FollowingmonochromationtheX-raybeamwasfocusedtoaspotofapproximately270

nmdiameterusingaFresnelzone-plateobjective.Fluorescencespectrawererecordedat150

nmintervalsasthespecimenwasrasterscannedthroughthefocusoftheX-raybeamtoobtain2Dprojectionimages.Thefluxtransmittedbythesamplewasmonitoredusingbothanionchamberandaconfigureddetector.Arotationserieswasobtainedbyacquiringsuchimageswiththespecimenorientedat24differentangleswithrespecttoaverticalrotationaxis.

Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolution

PNAS,2010，107，15676-15680240,000single-point

24projections36h(0.1S/pixel)当前第16页\共有39页\编于星期三\21点Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolution

PNAS,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8

μgforSi，2

ngforMn.当前第17页\共有39页\编于星期三\21点各元素分布图叠加

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，一个位于硅藻瓣端当前第18页\共有39页\编于星期三\21点

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。当前第19页\共有39页\编于星期三\21点实测值和重建数据（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,2010,107,15676-15680当前第20页\共有39页\编于星期三\21点XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern蜈蚣草Pterisvittata当前第21页\共有39页\编于星期三\21点Spotsize15or5μmdiameterfocusedbytaperedmetalmonocapillaries鲜活组织，室温，潮湿定量：0.2μL5mMArsenate滴于滤纸metalmonocapillariesBL9-3atSSRLGedetectorLocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern当前第22页\共有39页\编于星期三\21点LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFernAs(glutathione)311869.8eVArsenite11871.4eVArsenate11874.8eV当前第23页\共有39页\编于星期三\21点EST,2006,40,5010-5014LocalizingtheBiochemicalTransformationsOfArsenateinaHyperaccumulatingFernXAS成像当前第24页\共有39页\编于星期三\21点EST,2006,40,5010-5014XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern当前第25页\共有39页\编于星期三\21点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当前第26页\共有39页\编于星期三\21点Biological

SamplesSR45°

Si(Li)

detectorAmplifier

MCA

Computer

Slit

Ionization

chamber

SamplemovingdirectionIEFseparation

SIGOUTReconstruction

SRXRFanalysis

Proteinextraction

DetectionofmetalloproteinswithSRXRFafterelectrophoresisGaoY,Anal.Chem.Acta,2003,485(1):131-137GaoY,Analyst,2002,127,1400-1404GaoY,JAAS,2007,22,856–866当前第27页\共有39页\编于星期三\21点

Detectionofmercury-,arsenic-,andselenium-containingproteinsinfishliverfromamercurypollutedareaofGuizhouProvince,Chinawith

SRXRFafterIEFSe/As/Hgoftenco-existinthesameband,suggestingthatThebandsmaybecorrespondingtotheantagonisticeffectofSeagainstthetoxicityofHgandAs,HgandAsmaybeinvolvedinthesamemetabolicprocesses.LiLN,JToxicolEnvHealth,A,2008,71:1266–1269当前第28页\共有39页\编于星期三\21点ImagingMetalsinProteinsafternativeElectrophoresisXRFmapofaone-dimensionalnativeblotofmultiplemetalloproteins.(Upperright)Photographofblot.(Upperleft)Zincmapshowszincpresentincarbonicanhydrase(CA).(Lowerleft)Ironmapshowsironpresentinhemoglobin(Hb).(Lowerright)Coppermapshowscopperpresentintyrosinase(Tyr),aswellasacontaminantincarbonicanhydrase.Mapsdisplayedarequantified,withthresholdvaluesing/cm2.ACSCHEMBIOL,2010,5,577-587当前第29页\共有39页\编于星期三\21点DetectionofSe-containingproteinsinselenium-enrichedyeastwithSRXRFafter2-dimensionalgelelectrophoresisAbout30Se-containingproteinscanbedistinguishedbyComparisonbetweenthetwoFigs,whitchweremarkedwithellipsesinFig.III当前第30页\共有39页\编于星期三\21点MetallomeofNiletilapiatissueidentifiedbySRXRFafter2Dseparation

Gelobtainedfortheliversampleswiththeproteinspotswhichweredetectedcalcium,ironandzincbySRXRFhighlightedwithacircle.

Three-dimensionalproteinspotsofliversamplecontainedcalcium,ironandzinc,whichhighlightedwithacircle.

Talanta,2010,82,1052-1056

当前第31页\共有39页\编于星期三\21点准在线联用技术非破坏性、基底影响小同时给出蛋白质表达水平、等电点、分子量、所含金属种类、含量等信息（价态、肽质指纹谱、序列）多元素分析，可用于研究不同元素之间的协同、拮抗等生物效应研究方法评价当前第32页\共有39页\编于星期三\21点X-rayabsorptionspectroscopyI=I0·e-μd，线性吸收系数μ＝f(Z,,)XAS:透射光强度随入射光波长的变化曲线I0IdXRFPhotoelectronsScatteredx-ray当前第33页\共有39页\编于星期三\21点X射线吸收谱E0±10E0+10-50E0+50-1000XANES:X射线吸收近边结构：元素种类、电子构型（价态）、对称性NEXAFS:近边X射线吸收精细结构：键角、键长EXAFS:扩展X射线吸收精细结构：配位原子种类、数目、距离当前第34页\共有39页\编于星期三\21点EXAFS优点不依赖晶体结构，因此可用于大量的非晶态材料的研究不受其他元素的干扰，对不同的元素的原子，可由吸收边位置不同，而得以分别研究可测配位原子的种类、个数、间距等浓度很低的样品，百万分之几的元素也能分析样品制备比较简单，数据收集时间短当前第35页\共有39页\编于星期三\21点XASmeasurementafterSRXRFimagingProteinmap(a)andCrmap(b)forCrcompoundsbindingtoalbumin-depletedbovineserum(BS)proteins.Themainproteinbandsat65and130kDa