同步輻射X射線多模式成像及其在科技考古與腫瘤學(xué)中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著X射線技術(shù)的發(fā)展，第三代同步輻射X射線光源在現(xiàn)代科學(xué)研究與應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色。相比可見光與電子，X射線具有短波長(zhǎng)及強(qiáng)穿透性，可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的三維、無損、高分辨成像。基于X射線與物質(zhì)的復(fù)雜相互作用機(jī)理，發(fā)展出了多種同步輻射X射線成像方法，如吸收襯度成像、相位襯度成像、X射線熒光成像等。這些成像方法廣泛應(yīng)用到材料學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)等領(lǐng)域，極大推動(dòng)了各學(xué)科的發(fā)展。但是，在一些交叉研究領(lǐng)域，如科技考古與腫瘤學(xué)，單一模式的同步

2、輻射成像在理論方法和具體應(yīng)用中仍然存在一定的問題，例如考古學(xué)中的結(jié)構(gòu)與組分分析，腫瘤細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能研究等。因此，在方法與技術(shù)上，需要發(fā)展或改進(jìn)已有的同步輻射成像方法;在應(yīng)用上，需要開展多模式同步輻射成像方法在具體科學(xué)問題中的研究。在同步輻射成像研究領(lǐng)域中，科技考古與腫瘤學(xué)是典型的交叉研究領(lǐng)域。將同步輻射X射線成像應(yīng)用于科技考古與腫瘤學(xué)，既可以有效解決該領(lǐng)域存在的科學(xué)問題，同時(shí)還可以完善同步輻射成像方法學(xué)。因此，本論文開展了基于同步輻射

3、多模式成像的方法學(xué)研究，并對(duì)古代大豆、陶范等考古學(xué)樣晶及毛細(xì)血管、腫瘤細(xì)胞等生物學(xué)樣品進(jìn)行了三維、無損、高分辨成像應(yīng)用研究。具體研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)同步輻射X射線成像在古代大豆起源與馴化中的應(yīng)用研究。由于古代炭化大豆脆性大，傳統(tǒng)考古學(xué)往往只能得到形態(tài)學(xué)信息，而無法獲得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。利用同步輻射斷層掃描成像(Computed Tomography, CT)的無損、高分辨特性，研究了來自黃河中下游地區(qū)不同時(shí)代的系列古代大豆。測(cè)

4、年結(jié)果顯示該系列古代大豆跨越距今1000-7500年，是研究大豆馴化問題的良好體系。結(jié)合同步輻射同軸相位襯度成像技術(shù)，增強(qiáng)了炭化大豆內(nèi)部的邊界襯度，極大改善了同步輻射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過提出新的數(shù)據(jù)分析方法建立了古代炭化大豆結(jié)構(gòu)與成分的關(guān)系模型，進(jìn)而從全新角度揭示了古代大豆的起源與馴化。
　　通過對(duì)現(xiàn)代系列大豆及其他作物的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)了位于炭化大豆內(nèi)部的“孔洞”結(jié)構(gòu)。聯(lián)系考古學(xué)、植物學(xué)知識(shí)，對(duì)影響孔洞產(chǎn)生的大豆成分、水分和炭

5、化溫度等因素進(jìn)行了分析。基于三維斷層成像結(jié)果和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，建立了由炭化大豆結(jié)構(gòu)聯(lián)系其成分的分析方法:1）高脂肪促進(jìn)產(chǎn)生炭化大豆內(nèi)部的小孔洞，高蛋白促進(jìn)產(chǎn)生大孔洞;2）較高的水分和炭化溫度會(huì)使小孔洞數(shù)量下降。將這一分析方法應(yīng)用于古代系列大豆，發(fā)現(xiàn)古代大豆遺存隨著年代的推進(jìn)，其內(nèi)部蛋白質(zhì)和脂肪含量均有所提高，但脂肪含量增加得更為明顯。在古代大豆的起源與馴化問題討論中發(fā)現(xiàn):1）中國先民有意識(shí)地選擇并栽培某些大豆發(fā)生在距今約7500年前;2）經(jīng)

6、過了3000年的選育和栽培，大豆馴化特征已十分明顯，且脂肪含量表現(xiàn)為更高。有別于馴化研究中常見的基因?qū)W研究，基于同步輻射X射線的炭化大豆三維結(jié)構(gòu)成像研究，揭示了古代大豆的馴化和起源問題，在同步輻射成像分析方法和考古學(xué)馴化研究中實(shí)現(xiàn)了突破。
　　(2)商代陶范殘片的同步輻射X射線結(jié)構(gòu)成像與化學(xué)分辨成像研究。商代陶范極少發(fā)現(xiàn)于殷墟之外的青銅器鑄造遺址，而大辛莊遺址位于商代東部邊界的位置，在這里發(fā)掘的陶范及存在的鑄造活動(dòng)，對(duì)于分析商代部

7、落發(fā)展和權(quán)力的擴(kuò)散具有重要價(jià)值。采用同步輻射X射線斷層掃描成像研究了陶范殘片外層紋飾與內(nèi)部結(jié)構(gòu);結(jié)合同步輻射X射線熒光成像，對(duì)與青銅器鑄造相關(guān)的金屬痕跡進(jìn)行了化學(xué)分辨（元素）成像，研究了銅、鐵元素的分布信息。
　　通過對(duì)包含紋飾結(jié)構(gòu)的一段商代陶范殘片的三維斷層掃描成像，分析了商代陶范紋飾與陶范基體的邊界和組成差異。發(fā)現(xiàn)商代陶范的紋飾與基體之間不存在邊界，商代陶范的紋飾結(jié)構(gòu)應(yīng)是從陶范基體中雕刻得到的。另外，三維重建結(jié)果顯示商代陶范內(nèi)

8、部含有較多氣孔，聯(lián)系鑄造工藝學(xué)，氣孔的存在顯示了較成熟的陶范加工工藝。應(yīng)用同步輻射X射線熒光成像，展開商代陶范殘片紋飾及背部的元素成像。發(fā)現(xiàn)陶范紋飾部分均存在明顯含量的鐵、銅元素，銅元素分布較均勻，而鐵元素分布與陶范紋飾結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密。另外，商代陶范基體組成中幾乎不含有銅和鐵元素。分析顯示該陶范應(yīng)為青銅器鑄造所使用過的陶范，而陶范表面的鐵元素來自當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染。最后為了確認(rèn)陶范基體及表面元素的存在，利用X射線光電子能譜(XPS)、電感耦合

9、等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)等方法檢測(cè)了相關(guān)元素的定性和定量分布信息。綜合同步輻射X射線結(jié)構(gòu)成像和元素成像，顯示該商代陶范是制作精良且用于青銅器鑄造的陶范，其表面紋飾為雕刻而非貼飾得到。
　　(3)基于同步輻射硬X射線全場(chǎng)顯微成像與軟X射線掃描透射成像的小鼠毛細(xì)血管顯微結(jié)構(gòu)研究。腫瘤治療材料須經(jīng)過毛細(xì)血管才能進(jìn)入腫瘤組織，進(jìn)而殺死腫瘤細(xì)胞。對(duì)毛細(xì)血管微觀結(jié)構(gòu)的研究可以加深對(duì)腫瘤治療微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)腫瘤治療材料的設(shè)計(jì)也具

10、有錯(cuò)鑒意義。首先利用同步輻射硬X射線全場(chǎng)顯微成像，研究了小鼠毛細(xì)血管的亞微米分辨三維結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)用同步輻射軟X射線掃描透射成像，實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)血管50 nm分辨水平的二維成像。兩種成像模式下，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管中存在一種“竹節(jié)”狀周期性結(jié)構(gòu)。基于毛細(xì)血管的高分辨成像結(jié)果，提出了一種毛細(xì)血管顯微結(jié)構(gòu)模型。從血管模型出發(fā)，分析了毛細(xì)血管這一特殊結(jié)構(gòu)所具有的生物效應(yīng)。經(jīng)計(jì)算，這種“竹節(jié)”狀結(jié)構(gòu)可以使血液與組織間的物質(zhì)交換效率提高17.2％。然而，“竹

11、節(jié)”狀結(jié)構(gòu)由于減小了血管運(yùn)輸血液通道的截面，也增加了血栓等疾病的發(fā)生幾率。利用同步輻射X射線成像技術(shù)研究毛細(xì)血管顯微結(jié)構(gòu)，不僅促進(jìn)了對(duì)毛細(xì)血管微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了利用軟X射線掃描透射成像對(duì)較大尺寸生物學(xué)樣品研究的方法學(xué)探索。
　　(4)同步輻射低劑量、三維、高分辨成像方法學(xué)及其在腫瘤細(xì)胞研究中的應(yīng)用。首先針對(duì)貼壁腫瘤細(xì)胞模型開展了等斜率三維重建算法(Equally SlopedTomogaphy, EST)的數(shù)值模擬研究。結(jié)

12、果顯示等斜率三維迭代重建算法相較于傳統(tǒng)濾波反投影重建算法(Filtered Back-Projection，F(xiàn)BP)具有很大優(yōu)勢(shì)，可以在投影數(shù)量較少的情況下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的三維重建。然后結(jié)合同步輻射軟X射線掃描透射成像和等斜率三維重建算法對(duì)人類宮頸癌細(xì)胞(Hela)及內(nèi)部腫瘤治療藥物（順鉑）進(jìn)行了高分辨三維成像研究。后期處理過程中，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，有效去除了實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的偽影和噪音。三維重建結(jié)果顯示順鉑主要分布于Hela細(xì)胞的細(xì)胞核