同步輻射元素成像技術(shù)詳解

同步輻射元素成像技術(shù)詳解演示文稿當前第1頁\共有39頁\編于星期三\21點優(yōu)選同步輻射元素成像技術(shù)當前第2頁\共有39頁\編于星期三\21點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。當前第3頁\共有39頁\編于星期三\21點BSRFBSRF：直線加速器200米儲存環(huán)周長240米，電子能量-2GeV當前第4頁\共有39頁\編于星期三\21點SSRF儲存環(huán)周長432米，光子能量為0.1~40keV，電子能量3.5GeV當前第5頁\共有39頁\編于星期三\21點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米當前第6頁\共有39頁\編于星期三\21點同步輻射的發(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，得到的同步輻射主要來自插入件。上海光源（SSRF）。當前第7頁\共有39頁\編于星期三\21點元素成像原理Anelectronintheinnershell(e.g.Kshell)isejectedfromtheatombyanexternalprimaryexcitationx-ray,creatingavacancy.Anelectronfromoutershell"jumpsin"tofillthevacancy.Intheprocess,itemitsacharacteristicx-rayuniquetothiselementandinturn,producesavacancyintheoutershell.RF

PrimaryX-ray

XRFAugerelectron當前第8頁\共有39頁\編于星期三\21點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Z>4

實際工作中Z>11（空氣吸收）光線能量當前第9頁\共有39頁\編于星期三\21點同步輻射元素成像設(shè)備

光學部分當前第10頁\共有39頁\編于星期三\21點成像設(shè)備Detectionlimit:10-18g，~103atomsNatPhys,2006,2:101–104lateralresolution:50nmAnalChem,2003,75:3806–3816樣品測試部分信號處理部分當前第11頁\共有39頁\編于星期三\21點XRFspectraTypicalenergydispersiveXRFspectrumforamulti-elementstandardE:qualitativeanalysispeakeara:quautification當前第12頁\共有39頁\編于星期三\21點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當前第13頁\共有39頁\編于星期三\21點1mmSchematicdrawingofanatomicalstructuresofanadulthermaphroditeC.elegans

ElementaldistributioninC.eleganswhichwasfedbyE.coliOP50+PBS(A),E.coliOP50+nanoCu(B),andE.coliOP50+Cu2+(C).

JAAS,2008,23,1121–1124模式動物2D3.5×5.0μmatBL-4Ain,KEK

當前第14頁\共有39頁\編于星期三\21點Cyclotellameneghiniana

accountfor20%ofglobalcarbonfixation.facilitatethetransportofphotosyntheticallyfixedCO2fromthesurfaceoceantodeepwater,10μm

制樣細胞懸液滴加在電鏡柵網(wǎng)上，自然風干定量XRFstandardsNIST1832,1833Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolution

PNAS,2010，107，15676-15680當前第15頁\共有39頁\編于星期三\21點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)當前第16頁\共有39頁\編于星期三\21點Quantitative3DelementalmicrotomographyofCyclotellameneghinianaat400-nmresolution

PNAS,2010,107,15676-15680Cyclotellameneghiniana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8

μgforSi，2

ngforMn.當前第17頁\共有39頁\編于星期三\21點各元素分布圖疊加

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，一個位于硅藻瓣端當前第18頁\共有39頁\編于星期三\21點

C.meneghinianas三維結(jié)構(gòu)的元素分布細節(jié)PNAS,2010,107,15676-15680(A–C)Si(灰)，F(xiàn)e(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)合于硅藻瓣面和環(huán)帶交界的富硅環(huán)狀結(jié)構(gòu)上。

BSi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)

。(D–F)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)與柱狀結(jié)構(gòu)相連。當前第19頁\共有39頁\編于星期三\21點實測值和重建數(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當前第20頁\共有39頁\編于星期三\21點XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern蜈蚣草Pterisvittata當前第21頁\共有39頁\編于星期三\21點Spotsize15or5μmdiameterfocusedbytaperedmetalmonocapillaries鮮活組織，室溫，潮濕定量：0.2μL5mMArsenate滴于濾紙metalmonocapillariesBL9-3atSSRLGedetectorLocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern當前第22頁\共有39頁\編于星期三\21點LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFernAs(glutathione)311869.8eVArsenite11871.4eVArsenate11874.8eV當前第23頁\共有39頁\編于星期三\21點EST,2006,40,5010-5014LocalizingtheBiochemicalTransformationsOfArsenateinaHyperaccumulatingFernXAS成像當前第24頁\共有39頁\編于星期三\21點EST,2006,40,5010-5014XAS成像LocalizingtheBiochemicalTransformationsofArsenateinaHyperaccumulatingFern當前第25頁\共有39頁\編于星期三\21點方法評價非破壞性制樣簡單避免污染后續(xù)研究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當前第26頁\共有39頁\編于星期三\21點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當前第27頁\共有39頁\編于星期三\21點

Detectionofmercury-,arsenic-,andselenium-containingproteinsinfishliverfromamercurypollutedareaofGuizhouProvince,Chinawith

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

Gelobtainedfortheliversampleswiththeproteinspotswhichweredetectedcalcium,ironandzincbySRXRFhighlightedwithacircle.

Three-dimensionalproteinspotsofliversamplecontainedcalcium,ironandzinc,whichhighlightedwithacircle.

Talanta,2010,82,1052-1056

當前第31頁\共有39頁\編于星期三\21點準在線聯(lián)用技術(shù)非破壞性、基底影響小同時給出蛋白質(zhì)表達水平、等電點、分子量、所含金屬種類、含量等信息（價態(tài)、肽質(zhì)指紋譜、序列）多元素分析，可用于研究不同元素之間的協(xié)同、拮抗等生物效應研究方法評價當前第32頁\共有39頁\編于星期三\21點X-rayabsorptionspectroscopyI=I0·e-μd，線性吸收系數(shù)μ＝f(Z,,)XAS:透射光強度隨入射光波長的變化曲線I0IdXRFPhotoelectronsScatteredx-ray當前第33頁\共有39頁\編于星期三\21點X射線吸收譜E0±10E0+10-50E0+50-1000XANES:X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)：元素種類、電子構(gòu)型（價態(tài)）、對稱性NEXAFS:近邊X射線吸收精細結(jié)構(gòu)：鍵角、鍵長EXAFS:擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)：配位原子種類、數(shù)目、距離當前第34頁\共有39頁\編于星期三\21點EXAFS優(yōu)點不依賴晶體結(jié)構(gòu)，因此可用于大量的非晶態(tài)材料的研究不受其他元素的干擾，對不同的元素的原子，可由吸收邊位置不同，而得以分別研究可測配位原子的種類、個數(shù)、間距等濃度很低的樣品，百萬分之幾的元素也能分析樣品制備比較簡單，數(shù)據(jù)收集時間短當前第35頁\共有39頁\編于星期三\21點XASmeasurementafterSRXRFimagingProteinmap(a)andCrmap(b)forCrcompoundsbindingtoalbumin-depletedbovineserum(BS)proteins.Themainproteinbandsat65and130kDa