同步輻射X射線多模式成像及其在科技考古與腫瘤學中的應用研究.pdf

1、隨著X射線技術的發(fā)展，第三代同步輻射X射線光源在現代科學研究與應用中扮演著越來越重要的角色。相比可見光與電子，X射線具有短波長及強穿透性，可以實現物質的三維、無損、高分辨成像?；赬射線與物質的復雜相互作用機理，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用到材料學、生物學、地質學、考古學等領域，極大推動了各學科的發(fā)展。但是，在一些交叉研究領域，如科技考古與腫瘤學，單一模式的同步

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

3、多模式成像的方法學研究，并對古代大豆、陶范等考古學樣晶及毛細血管、腫瘤細胞等生物學樣品進行了三維、無損、高分辨成像應用研究。具體研究內容包括:
　　(1)同步輻射X射線成像在古代大豆起源與馴化中的應用研究。由于古代炭化大豆脆性大，傳統(tǒng)考古學往往只能得到形態(tài)學信息，而無法獲得其內部結構信息。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)不同時代的系列古代大豆。測

4、年結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。結合同步輻射同軸相位襯度成像技術，增強了炭化大豆內部的邊界襯度，極大改善了同步輻射實驗的數據質量。通過提出新的數據分析方法建立了古代炭化大豆結構與成分的關系模型，進而從全新角度揭示了古代大豆的起源與馴化。
　　通過對現代系列大豆及其他作物的對比實驗，研究發(fā)現了位于炭化大豆內部的“孔洞”結構。聯(lián)系考古學、植物學知識，對影響孔洞產生的大豆成分、水分和炭

5、化溫度等因素進行了分析?；谌S斷層成像結果和統(tǒng)計學分析，建立了由炭化大豆結構聯(lián)系其成分的分析方法:1）高脂肪促進產生炭化大豆內部的小孔洞，高蛋白促進產生大孔洞;2）較高的水分和炭化溫度會使小孔洞數量下降。將這一分析方法應用于古代系列大豆，發(fā)現古代大豆遺存隨著年代的推進，其內部蛋白質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:1）中國先民有意識地選擇并栽培某些大豆發(fā)生在距今約7500年前;2）經

6、過了3000年的選育和栽培，大豆馴化特征已十分明顯，且脂肪含量表現為更高。有別于馴化研究中常見的基因學研究，基于同步輻射X射線的炭化大豆三維結構成像研究，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馴化研究中實現了突破。
　　(2)商代陶范殘片的同步輻射X射線結構成像與化學分辨成像研究。商代陶范極少發(fā)現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，對于分析商代部

7、落發(fā)展和權力的擴散具有重要價值。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部結構;結合同步輻射X射線熒光成像，對與青銅器鑄造相關的金屬痕跡進行了化學分辨（元素）成像，研究了銅、鐵元素的分布信息。
　　通過對包含紋飾結構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，商代陶范的紋飾結構應是從陶范基體中雕刻得到的。另外，三維重建結果顯示商代陶范內

8、部含有較多氣孔，聯(lián)系鑄造工藝學，氣孔的存在顯示了較成熟的陶范加工工藝。應用同步輻射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構聯(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地環(huán)境的污染。最后為了確認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)等方法檢測了相關元素的定性和定量分布信息。綜合同步輻射X射線結構成像和元素成像，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射線全場顯微成像與軟X射線掃描透射成像的小鼠毛細血管顯微結構研究。腫瘤治療材料須經過毛細血管才能進入腫瘤組織，進而殺死腫瘤細胞。對毛細血管微觀結構的研究可以加深對腫瘤治療微觀機理的認識，對腫瘤治療材料的設計也具

10、有錯鑒意義。首先利用同步輻射硬X射線全場顯微成像，研究了小鼠毛細血管的亞微米分辨三維結構。其次，應用同步輻射軟X射線掃描透射成像，實現了毛細血管50 nm分辨水平的二維成像。兩種成像模式下，發(fā)現毛細血管中存在一種“竹節(jié)”狀周期性結構?；诿氀艿母叻直娉上窠Y果，提出了一種毛細血管顯微結構模型。從血管模型出發(fā)，分析了毛細血管這一特殊結構所具有的生物效應。經計算，這種“竹節(jié)”狀結構可以使血液與組織間的物質交換效率提高17.2％。然而，“竹

11、節(jié)”狀結構由于減小了血管運輸血液通道的截面，也增加了血栓等疾病的發(fā)生幾率。利用同步輻射X射線成像技術研究毛細血管顯微結構，不僅促進了對毛細血管微觀結構的認識，同時實現了利用軟X射線掃描透射成像對較大尺寸生物學樣品研究的方法學探索。
　　(4)同步輻射低劑量、三維、高分辨成像方法學及其在腫瘤細胞研究中的應用。首先針對貼壁腫瘤細胞模型開展了等斜率三維重建算法(Equally SlopedTomogaphy, EST)的數值模擬研究。結

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，FBP)具有很大優(yōu)勢，可以在投影數量較少的情況下實現高質量的三維重建。然后結合同步輻射軟X射線掃描透射成像和等斜率三維重建算法對人類宮頸癌細胞(Hela)及內部腫瘤治療藥物（順鉑）進行了高分辨三維成像研究。后期處理過程中，通過優(yōu)化數據處理方法，有效去除了實驗過程中產生的偽影和噪音。三維重建結果顯示順鉑主要分布于Hela細胞的細胞核