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[博士论文] 宗云兵
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着X射线技术的发展,第三代同步辐射X射线光源在现代科学研究与应用中扮演着越来越重要的角色。相比可见光与电子,X射线具有短波长及强穿透性,可以实现物质的三维、无损、高分辨成像。基于X射线与物质的复杂相互作用机理,发展出了多种同步辐射X射线成像方法,如吸收衬度成像、相位衬度成像、X射线荧光成像等。这些成像方法广泛应用到材料学、生物学、地质学、考古学等领域,极大推动了各学科的发展。但是,在一些交叉研究领域,如科技考古与肿瘤学,单一模式的同步辐射成像在理论方法和具体应用中仍然存在一定的问题,例如考古学中的结构与组分分析,肿瘤细胞的结构与功能研究等。因此,在方法与技术上,需要发展或改进已有的同步辐射成像方法;在应用上,需要开展多模式同步辐射成像方法在具体科学问题中的研究。在同步辐射成像研究领域中,科技考古与肿瘤学是典型的交叉研究领域。将同步辐射X射线成像应用于科技考古与肿瘤学,既可以有效解决该领域存在的科学问题,同时还可以完善同步辐射成像方法学。因此,本论文开展了基于同步辐射多模式成像的方法学研究,并对古代大豆、陶范等考古学样晶及毛细血管、肿瘤细胞等生物学样品进行了三维、无损、高分辨成像应用研究。具体研究内容包括:
  (1)同步辐射X射线成像在古代大豆起源与驯化中的应用研究。由于古代炭化大豆脆性大,传统考古学往往只能得到形态学信息,而无法获得其内部结构信息。利用同步辐射断层扫描成像(Computed Tomography, CT)的无损、高分辨特性,研究了来自黄河中下游地区不同时代的系列古代大豆。测年结果显示该系列古代大豆跨越距今1000-7500年,是研究大豆驯化问题的良好体系。结合同步辐射同轴相位衬度成像技术,增强了炭化大豆内部的边界衬度,极大改善了同步辐射实验的数据质量。通过提出新的数据分析方法建立了古代炭化大豆结构与成分的关系模型,进而从全新角度揭示了古代大豆的起源与驯化。
  通过对现代系列大豆及其他作物的对比实验,研究发现了位于炭化大豆内部的“孔洞”结构。联系考古学、植物学知识,对影响孔洞产生的大豆成分、水分和炭化温度等因素进行了分析。基于三维断层成像结果和统计学分析,建立了由炭化大豆结构联系其成分的分析方法:1)高脂肪促进产生炭化大豆内部的小孔洞,高蛋白促进产生大孔洞;2)较高的水分和炭化温度会使小孔洞数量下降。将这一分析方法应用于古代系列大豆,发现古代大豆遗存随着年代的推进,其内部蛋白质和脂肪含量均有所提高,但脂肪含量增加得更为明显。在古代大豆的起源与驯化问题讨论中发现:1)中国先民有意识地选择并栽培某些大豆发生在距今约7500年前;2)经过了3000年的选育和栽培,大豆驯化特征已十分明显,且脂肪含量表现为更高。有别于驯化研究中常见的基因学研究,基于同步辐射X射线的炭化大豆三维结构成像研究,揭示了古代大豆的驯化和起源问题,在同步辐射成像分析方法和考古学驯化研究中实现了突破。
  (2)商代陶范残片的同步辐射X射线结构成像与化学分辨成像研究。商代陶范极少发现于殷墟之外的青铜器铸造遗址,而大辛庄遗址位于商代东部边界的位置,在这里发掘的陶范及存在的铸造活动,对于分析商代部落发展和权力的扩散具有重要价值。采用同步辐射X射线断层扫描成像研究了陶范残片外层纹饰与内部结构;结合同步辐射X射线荧光成像,对与青铜器铸造相关的金属痕迹进行了化学分辨(元素)成像,研究了铜、铁元素的分布信息。
  通过对包含纹饰结构的一段商代陶范残片的三维断层扫描成像,分析了商代陶范纹饰与陶范基体的边界和组成差异。发现商代陶范的纹饰与基体之间不存在边界,商代陶范的纹饰结构应是从陶范基体中雕刻得到的。另外,三维重建结果显示商代陶范内部含有较多气孔,联系铸造工艺学,气孔的存在显示了较成熟的陶范加工工艺。应用同步辐射X射线荧光成像,展开商代陶范残片纹饰及背部的元素成像。发现陶范纹饰部分均存在明显含量的铁、铜元素,铜元素分布较均匀,而铁元素分布与陶范纹饰结构联系紧密。另外,商代陶范基体组成中几乎不含有铜和铁元素。分析显示该陶范应为青铜器铸造所使用过的陶范,而陶范表面的铁元素来自当地环境的污染。最后为了确认陶范基体及表面元素的存在,利用X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等方法检测了相关元素的定性和定量分布信息。综合同步辐射X射线结构成像和元素成像,显示该商代陶范是制作精良且用于青铜器铸造的陶范,其表面纹饰为雕刻而非贴饰得到。
  (3)基于同步辐射硬X射线全场显微成像与软X射线扫描透射成像的小鼠毛细血管显微结构研究。肿瘤治疗材料须经过毛细血管才能进入肿瘤组织,进而杀死肿瘤细胞。对毛细血管微观结构的研究可以加深对肿瘤治疗微观机理的认识,对肿瘤治疗材料的设计也具有错鉴意义。首先利用同步辐射硬X射线全场显微成像,研究了小鼠毛细血管的亚微米分辨三维结构。其次,应用同步辐射软X射线扫描透射成像,实现了毛细血管50 nm分辨水平的二维成像。两种成像模式下,发现毛细血管中存在一种“竹节”状周期性结构。基于毛细血管的高分辨成像结果,提出了一种毛细血管显微结构模型。从血管模型出发,分析了毛细血管这一特殊结构所具有的生物效应。经计算,这种“竹节”状结构可以使血液与组织间的物质交换效率提高17.2%。然而,“竹节”状结构由于减小了血管运输血液通道的截面,也增加了血栓等疾病的发生几率。利用同步辐射X射线成像技术研究毛细血管显微结构,不仅促进了对毛细血管微观结构的认识,同时实现了利用软X射线扫描透射成像对较大尺寸生物学样品研究的方法学探索。
  (4)同步辐射低剂量、三维、高分辨成像方法学及其在肿瘤细胞研究中的应用。首先针对贴壁肿瘤细胞模型开展了等斜率三维重建算法(Equally SlopedTomogaphy, EST)的数值模拟研究。结果显示等斜率三维迭代重建算法相较于传统滤波反投影重建算法(Filtered Back-Projection,FBP)具有很大优势,可以在投影数量较少的情况下实现高质量的三维重建。然后结合同步辐射软X射线扫描透射成像和等斜率三维重建算法对人类宫颈癌细胞(Hela)及内部肿瘤治疗药物(顺铂)进行了高分辨三维成像研究。后期处理过程中,通过优化数据处理方法,有效去除了实验过程中产生的伪影和噪音。三维重建结果显示顺铂主要分布于Hela细胞的细胞核一侧,初步验证了其通过抑制肿瘤细胞DNA复制的方式来杀灭肿瘤细胞的微观机理。另外,为进一步检验等斜率三维重建算法的低剂量成像效果,在小鼠红白血病细胞(HEL)的软X射线扫描透射成像实验中,仅用30个投影实现了HEL细胞的三维重建。重建结果显示HEL细胞中的生物功能材料(Au-Gd纳米颗粒)主要分布于细胞膜上,与Au-Gd纳米颗粒对细胞膜上整合素的特异性识别机理相一致。
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