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
Localizing the Biochemical Transformations of Arsenate in a Hyperaccumulating Fern
As(glutathione)3 11869.8 eV Arsenite 11871.4 eV Arsenate 11874.8 eV
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


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。
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
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
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.
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
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）。



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
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
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。


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
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.
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 fedE. coli OP50 + nano Cu (B), and E. coli OP50 +Cu2+ (C).