基于同步辐射X射线荧光光谱与机器学习的非靶标金属组学预测PVC纳米塑料对水稻毒性的浓度依赖性

环境中的微/纳米塑料污染引起了人们极大关注。土壤中的微/纳米塑料不可避免对植物产生影响,因此预测微/纳米塑料的植物毒性可为土壤中微/纳米塑料治理提供抓手。以水稻为研究对象,发展了基于同步辐射X射线荧光(SRXRF)光谱与机器学习的非靶标金属组学方法,以预测聚氯乙烯纳米塑料(nPVC)对水稻的毒性。首先将水稻暴露于不同浓度(500 ng/g与500μg/g)nPVC中,培养35 d后,收集水稻叶;其次,利用SRXRF研究暴露nPVC后水稻叶中金属组的变化;然后,利用机器学习方法区分暴露不同浓度nPVC水稻样品。对SRXRF光谱进行主成分分析(PCA)非监督聚类,发现500μg/g组能够良好聚类,而500 ng/g组与对照组无明显差异,表明500 ng/g的nPVC暴露对植物的毒性远低于500μg/g nPVC。对SRXRF全光谱,利用线性模型k近邻算法(kNN)和非线性模型支持向量机(SVM)建立预测模型,区分不同组别的准确率可达94.12%。为了提升运算速度,减少模型计算量,使用竞争性自适应加权重采样算法(CARS)挑选特征光谱建立预测模型,区分不同组别的准确率为89.51%。相对全光谱模型,特征光谱预测模型虽然预测准确率下降了4.61%,但模型输入参数减少了99.38%,因此同样具有良好潜力。研究表明,基于SRXRF和机器学习的非靶标金属组学可准确预测不同浓度nPVC对水稻金属组的干扰程度,从而反映nPVC对水稻毒性的浓度依赖性。方法同样可用于预测其他微/纳米塑料毒性的浓度依赖性。

铝合金焊缝疲劳开裂的原位同步辐射X射线成像

基于第三代高精度同步辐射X射线三维成像技术,开展表面经抛光的铝合金光纤激光-脉冲电弧复合焊接头疲劳裂纹萌生和扩展的原位可视化研究.结果表明,疲劳裂纹均优先从样品(亚或次)表面或角(亚)表面上的焊接气孔处萌生和扩展,并呈现典型的I型表面半椭圆或四分之一椭圆(或圆形)裂纹形貌.一旦裂纹萌生,裂纹在表面的扩展速率低于内部,且存在局部加速和停滞现象,萌生源的特征长度越大,则裂纹萌生和扩展寿命越短,裂纹形貌为高度非线性的空间特征.此外基于经典Newman表面半椭圆形裂纹形貌预测结果与试验基本一致.

磷灰石单晶体同步辐射X射线荧光探针成分分析

采用同步辐射X荧光(SRXRF)探针技术对河北峪耳崖和甘肃大水两地花岗岩中单颗粒磷灰石的化学成分进行了分析。结果显示,磷灰石含有P、Cl、S、K、Ca、Mn、Fe、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Yb、Sr、Y、Zr、U、Th等多种元素,峪耳崖磷灰石富含Mn、Fe,大水磷灰石则富含As。峪耳崖花岗岩为S型,大水花岗岩为I型,两地磷灰石在稀土元素(REE)含量上具有明显差别:大水磷灰石呈右倾的REE配分模式和明显的轻稀土(LREE)富集;而峪耳崖呈现上凸的REE配分模式和LREE亏损。依据磷灰石的REE配分模式可有效地区分不同类型的花岗岩,以此作为花岗岩岩浆演化的指示。

同步辐射X射线衍射与DSC相结合研究油脂的物性及其动力学机理的进展

介绍了将同步辐射X射线衍射和DSC相结合,用于油脂的结构和物化性质研究的新技术,以及在该领域的研究进展。

同步辐射X射线荧光分析在植物微量元素分析中的应用

利用同步辐射X射线荧光分析方法的信噪比高、检测限小、无损伤等特点,对采集自南极、青岛和安徽地区多种植物的茎、叶和花被样品进行了元素分析,在检测出的20多种元素中,有Ca,Mn,Fe,Cu,Zn,Br,Rb和Sr等。结果显示,南极苔藓中重元素的低含量与其环境污染低相一致,苔藓中K,Ca和Fe的峰强依次有数量级的提高,青岛红藻门的鸭毛藻对Br有很强的吸收倾向,将1985年和1999年获取的样品进行对比,说明这些植物的金属元素峰强有明显增加。淮河沉水植物金鱼藻对K,Ca,Mn和Fe都有较强的富集能力,所富集的元素含量和种类随水环境污染元素浓度的变化而有显著的不同。

用同步辐射X射线荧光微探针技术研究硝酸镧对单个平滑肌细胞内重要元素分布的影响

应用同步辐射X射线荧光微探针技术 (SRXRF) ,观察稀土元素化合物硝酸镧La(NO3) 3(浓度为 10 - 8mol/L)对培养的单个大鼠平滑肌细胞内重要元素分布的影响 ,获得La(NO3) 3作用4h ,8h ,2 4h时单个细胞内P ,K ,Ca ,Fe ,Cu ,Zn ,La等元素含量的相对计数。实验中观察到 ,10 - 8mol/LLa3+持续作用后 ,细胞内K ,Ca ,Fe ,Cu ,Zn等元素含量分布发生改变。结果表明 ,La3+可能富集在细胞内 ,影响细胞内某些重要元素含量的分布 ,可能是引起细胞生理生化变化的机制之一。

安徽沼虾和米虾的同步辐射X射线荧光分析及对水环境污染的监测作用

同步辐射 X射线荧光分析了安徽省 4个地区的沼虾 (Macrobrachium nipponesis)和米虾 (Caridinadenticulate sinensis)尾扇 9个样品中重元素含量 ;比较了 7种不同水环境中沼虾的元素含量 ,显示出虾中元素含量随水环境的不同而改变 ,其中 Mn/Fe或 Cu/Zn元素的比值强烈地与水环境富营养污染程度相关。生活在同一水环境中米虾的重元素 Br、Hg和 Pb的富集量分别是沼虾的 5 .0倍、2 .7倍和 2 .3倍。测量了老龄沼虾和成年沼虾的元素含量 ,发现老龄沼虾富集的 Hg和 Pb分别是成年虾的 5倍和 4倍 ,而 Cu和 Zn的含量却降低到成年虾的 1/8和

同步辐射X射线成像法原位研究Al-15%Cu合金柱状晶-等轴晶转变以及无轴柱状枝晶生长(英文)

利用上海光源同步辐射装置(SSRF),通过原位及实时探测研究Al-15%Cu合金定向凝固。结果表明:外部热扰动激发柱状晶-等轴晶转变(CET)。当固-液界面前沿的溶质边界层较薄时,枝晶尖端碎片的分离和漂浮是转变的前奏。而枝晶的三角尖端是断裂敏感区域。只要条件合适,一种新的枝晶形貌将孕育和长大。这种枝晶没有明显的主枝臂,称为无轴柱状枝晶。

同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影响

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了X射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1%对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70%可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。

Ti-39Nb合金变形行为的原位同步辐射X射线衍射研究

本文利用原位同步辐射X射线衍射(SXRD)技术研究了一种亚稳β型Ti-39Nb合金的非线弹性变形行为。结果表明:当外加应力超过60 MPa时,合金开始出现非线弹性变形,此时合金发生应力诱发马氏体相变(SIMT)。因此,Ti-39Nb合金的非线弹性变形机制为SIMT。此外,加载过程中产生的马氏体衍射峰只出现在同步辐射衍射环的特定角度,即与加载方向成26.5°。这是因为<110>β晶向平行于加载方向的β相晶粒最先发生SIMT,且产生最大相变应变的马氏体变体优先形成。

同步辐射X射线荧光对双柏恐龙化石的分析

首次使用同步辐射X射线荧光法(SXRF)测试了双柏县安龙堡的恐龙化石,在其截面上原位获得了Ca,Fe,Mn,Cu,Zn,As,Y和Sr等八种元素的分布图。测试结果表明,各种元素在化石中的分布是非均匀的,与一般的矿物岩石元素的分布不同。元素分布图表明,在双柏恐龙化石中未检测到As元素,与四川自贡恐龙由于As元素高的非正常死亡相比,双柏恐龙属正常死亡情形。在分布图中容易看出,化石中的Fe和Mn元素是共生的;Sr和Y两种元素也是共生的,显示化石在成岩过程中,所含Fe,Mn,Sr,Y的化合物胶体均为带异种电荷的颗粒,据此可推知当时这些元素所属化合物的可能形式。同步X射线荧光显微探测法研究恐龙化石元素分布具有原位、快速、准确、直观等优势,它可以将共生元素分离开来,这是XRD和等离子光谱等测试手段不能实现的。恐龙化石微量元素的分布,揭示了化石微区矿物结构的相关信息,这对于挖掘化石蕴涵的古地质特征,恢复古地理、古地质研究的潜力具有重要意义。

PbTiO_3-CoFe_2O_4磁电材料样品库的同步辐射X射线衍射结构分析

用高分辨微区同步辐射X射线衍射研究了PbTiO3-CoFe2O4组合材料样品库晶体结构随成分的变化,发现在80%PbTiO3成分附近存在着一个由外延应力引起的狭窄立方相区.分析表明,正是此相区的存在造成了该区域介电常数、非线性介电常数和磁电系数异常的增大.

原位微区同步辐射X射线荧光和近边吸收谱研究铅耐受细菌吸附-转化铅机理

为了从微观水平研究细菌生物吸附及转化铅机理,利用原位微区同步辐射X射线荧光(μ-SRXRF)及X射线吸收近边结构谱(XANES)研究云南兰坪铅锌矿区农田土壤样品中筛选的铅耐受性细菌吸附铅的分布特征及铅形态转化规律。土壤中具有铅耐受性的菌株主要为Arthrobacter sp.属(节杆菌属),采用μ-SRXRF对其吸附铅的含量进行快速简单直接分析,部分细菌吸附铅的含量高达5925μg/g,富集系数达14.8。XANES结果表明,细菌吸附Pb后存在形态为Pb S、(C_(17)H_(35)COO)_2Pb和Pb_5(PO_4)_3Cl分别占58.0%,22.2%和19.8%,与培养基本身以有机态为主的Pb形态有明显差异,表明培养基中铅被细菌吸附后有向硫化物转化的趋势,这为研究重金属生物有效性的影响因素提供了实验参考。

单个流体包裹体同步辐射X射线荧光微束无损分析

流体包裹体保留了古地质时期流体的原始组成，为矿物形成提供有价值的物理化学信息，对单个流体包裹体的无损成分分析，成为国际地学领域的重大前沿课题。同步辐射X射线荧光(SRXRF)微探针以其在微量和微区分析上的优势为这方面的研究提供有力的工具。我们在北京同步辐射装置(BSRF)的3WIA新束线上，用这种微探针开展了单个流体包裹体无损分析的实验研究。用特制的狭缝系统，从能量为3.5-35kev的同步辐射X射线中得刮10×10μm^2的微束，通过显微对光调整使它入射到选定的大小适当的单个流体包裹体样品上，其所产生的荧光用来确定流体中所含元素的丰度。用NIST612标样，测定了目前实验条件下元素的最小检测限(观测时间为1000秒)，检验了这种方法的可行性。在此基础上，对一组典型有机包裹体样品分别单个作无损成分分析，给出了K、Ti、V、Cr、Kh、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr和Pb等14种元素的半定量测试结果，并说明这些结果可用来研究包裹体所在储层的沉积环境以及包裹体形成时捕获的油气的母源问题。

用同步辐射X射线研究无机化合物粉末的荧光性质

在北京同步辐射装置的 4W 1B光束线上建立了利用准单色X射线测量粉末样品荧光性质的实验系统。测量了 33种无机化合物 (或掺杂 )的相对荧光强度及荧光衰退时间。若干已知闪烁性能样品的测试结果展示了方法的有效性和灵敏性。

聚乙烯醇修饰Fe_3O_4纳米颗粒的制备表征及同步辐射X射线光电子能谱研究

采用水溶性高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)对Fe_3O_4纳米颗粒表面进行功能化修饰,利用透射电镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、Zeta电位检测、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和热重分析(TGA),对包被前后Fe_3O_4的粒径、分散稳定性、PVA的包覆效率及纳米颗粒进入细胞的量进行了表征研究。通过同步辐射X射线光电子能谱技术(SRXPS)对修饰前后的Fe_3O_4表面的化学组分、表面原子的化学结构、化学键合情况进行了定性分析,给出了PVA与Fe_3O_4纳米颗粒作用的反应机理。结果表明,PVA修饰后的Fe_3O_4在溶液中稳定分散的时间大大延长,且进入细胞的量明显增多。SRXPS分析证明,PVA大分子链上的-OH功能团与纳米粒子表面富含的-OH功能团通过氢键的方式结合,形成稳定分散的PVA-Fe_3O_4,从而有利于其生物利用。

用同步辐射X射线衍射技术分析GaN/Si外延膜的结构与应变

选用有AlN和AlGaN缓冲层的GaN/Si作为测试样品,采用同步辐射X射线衍射(SRXRD)技术对样品外延膜(GaN)的几何结构、晶格常量及其应变进行了分析.结果表明,同步辐射X射线衍射实验可以作为一种有效的技术手段,测试固体结构及应变.

Ge薄层异质结构的同步辐射X射线反射法研究

用X射线反射方法研究了分子束外延技术生长的Si中Ge薄层异质结构的Ge原子分布特性．根据X射线反射理论及Parratt数值计算方法对实验反射曲线的模拟，得到不同厚度的Ge薄层异质结构样品中Ge原子的深度分布为非对称指数形式：在靠近样品表面一侧的衰减长度为8埃，而在靠近样品衬底一侧的衰减长度为3埃，且分布形式与Ge原子层的厚度无关。讨论了不同结构参数(Ge原子薄层的深度、Ce原子分布范围、样品表面粗糙度、样品表面氧化层厚度等)对样品低角反射曲线的影响．

同步辐射X射线荧光和吸收谱技术在环境汞污染研究中的应用进展

汞作为一种重要的全球性重金属污染物,被许多国际组织列为优先控制污染物。常规的汞分析手段,例如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、原子荧光光谱(AFS)等,对汞的分析精度较高,方法比较成熟,但对样品前处理要求也较高。同步辐射技术由于其高、精、准的优势,且对样品前处理要求比较简单、可实现原位无损分析,因此被广泛应用于环境样品的分析中。随着研究的发展,同步辐射X射线荧光光谱(SRXRF)和同步辐射X射线吸收光谱(SRXAS)技术在环境汞污染分析领域得到了越来越多的应用。主要介绍了我国环境汞污染现状及污染特征,同步辐射技术对于汞分布蓄积、含量和化学形态分析方面的独特优势,重点回顾了本项目组和其他一些研究组近几年关于SRXRF和SRXAS技术在环境介质如土壤、植物体内汞的分布蓄积、相对含量和化学形态转化研究领域的应用进展,对进一步发展并提高同步辐射技术在环境及生物体汞污染水平、毒性机理和生态毒理评价方面的应用进行了展望。

应用同步辐射X射线多模态成像研究死亡延迟时间对脑组织染色的影响

用于科学研究的人脑组织通常由遗体捐赠来获取,然而死亡延迟时间(Post-mortem Delay,PMD)是影响人脑组织染色的重要因素之一,目前对于PMD如何影响人脑组织的染色尚缺乏研究。本工作利用取脑后放置不同时间的小鼠脑组织来模拟人脑PMD的状态,采用高尔基染色、尼氏染色对其大脑皮层区域染色并进行光学显微镜成像,重点运用同步辐射X射线微米CT成像技术研究PMD对小鼠脑组织高尔基染色的影响。结果表明:随着PMD的增长,神经元的完整性和复杂性呈现明显的降低趋势,神经元的树突棘的数目明显减少,同步辐射X射线微米CT成像的结果也证实了锥体神经元纤维结构随放置时间的延长逐渐变短直至消失。研究结果将为人脑组织高尔基染色方法的建立和同步辐射X射线成像奠定基础。