同步辐射红外显微谱学分析阿霉素诱导肝癌细胞脂质变化

阿霉素是一种应用广泛的化疗药物,可用于治疗多种癌症。然而其作用机理尚未清楚。同步辐射红外显微技术可以在单细胞级别分析生物样品内的生化物质。该研究使用阿霉素处理肝癌细胞,然后使用同步辐射红外显微技术分析了阿霉素处理前后肝癌细胞内脂质的变化情况。对实验组和对照组的平均光谱和二阶导数光谱进行了定性和半定量分析,发现了阿霉素引起肝癌细胞ν_(as)(CH_(3))/ν_(as)(CH_(2))和νs(CH_(3))/νs(CH_(2))的变化。此外,使用统计学方法对所有单细胞二阶导数光谱进行了正交偏最小二乘判别分析,进一步证明了阿霉素诱导肝癌细胞脂质的变化情况。

同步辐射红外光源和NSRL红外光束线站

本文介绍了同步辐射红外辐射的基本特征及其最新进展,以及国家同步辐射实验室红外光束线和实验站改造的设计、性能和科学研究方向。国家同步辐射实验室原红外光束线和实验站主要是针对中红外波段的谱学研究,未能发挥同步辐射红外光源的优势,随着同步辐射红外光源在显微和远红外谱学方面应用的快速发展,为了满足红外谱学和成像研究的需要,我们对光束线光学元件参数重新进行模拟计算和优化设计,将光束线光谱范围扩展到约10cm?1,同时建立了新的红外光谱和显微实验站。对线站性能的测试结果显示同步辐射红外辐射具有明显的亮度优势,为开展同步辐射显微谱学和成像研究提供了一个有力的工具。

同步辐射显微红外光谱研究6-OHDA诱导帕金森病大鼠海马

利用同步辐射红外显微光谱研究6-hydroxydopamine(6-OHDA)毁损内侧前脑束所致帕金森病大鼠脑海马区神经元的生物化学成分改变。研究样本为6-OHDA诱导的帕金森大鼠模型海马区神经元。与正常大鼠海马区神经元比较,PD大鼠样品在属于脂类的CH2反对称和对称伸缩振动的2 924和2 850cm-1的振动吸收积分面积以及在峰值位于1 736cm-1的伸缩振动吸收积分强度比正常大鼠都有增加,提示PD样品脂质含量升高,而在属于核酸的PO2反对称伸缩振动和对称伸缩振动的强度比正常大鼠样品下降,提示PD样品中核酸的含量比正常样品减少。蛋白质的振动没有发现异常。该研究表明帕金森病大鼠模型海马神经元存在生物化学成分改变,这种改变可能与神经元的病理改变密切相关。

同步辐射显微红外光谱研究6-OHDA诱导帕金森病细胞模型

神经毒素6-hydroxydopamine(6-OHDA)处理的人神经瘤母细胞系SH-SY5Y是一种经典的帕金森病细胞模型。利用同步辐射红外显微光谱研究6-OHDA处理的SH-SY5Y细胞系的生物化学成分。与正常细胞相比较,所含磷脂的平均饱和水平显著提高,蛋白质的二级结构发生显著变化,其中的β-sheet的比例明显增高,核酸的含量明显下降,提示神经毒素6-OHDA对细胞造成了严重的氧化损伤。同步辐射红外显微光谱能够精确有效的检测到细胞生化成分的改变,从而对细胞的病理损伤进行评估。

使用区域中值滤波算法降低同步辐射红外线站由Top-Up模式引入的噪声

为了提高同步辐射红外光源的光子通量和亮度以及改善光学元件的热稳定性,同步辐射光源现多采用恒流注束(Top-Up)模式,以保持储存环内部束流的稳定.在增强器向储存环注束时,储存环电流的瞬时起伏及电子束团位置的变动等会使同步辐射红外线站所用红外傅立叶变换(FTIR)光谱仪所采的干涉图上出现较大的波动,形成噪声;本文根据该噪声的特点,以及全域中值滤波算法处理该类型的噪声的不足,提出使用区域中值滤波算法对红外谱学线站使用的FTIR光谱仪所采的干涉图进行预处理,以消除由Top-Up模式引入的噪声的影响;并根据该型噪声的特点和区域中值滤波算法的处理过程,设计了一套去除由Top-Up模式引入的同步辐射红外谱学噪声的流程,使该区域中值滤波算法的处理过程无需人工干预;使用该区域中值滤波算法对具有该型噪声的干涉图进行了降噪处理,计算结果表明:使用该滤波算法可消除由Top-Up模式引入噪声的影响,提升Top-Up模式下所采光谱的信噪比.

小鼠小梁细胞与肌成纤维细胞的同步辐射红外显微光谱

原发性开角型青光眼是常见的致盲性眼部疾病。眼压升高是原发性开角型青光眼发生和发展最主要的危险因素,是由小梁网途径的房水外流排出系统发生病变、房水流出阻力增加所致。研究表明,房水中存在的转化生长因子-β能够使小梁细胞纤维化,诱导小梁细胞过度增殖,从而阻碍房水外流,导致原发性开角型青光眼的发生。原发性开角型青光眼发病隐蔽,病程进展缓慢,早期没有任何症状,往往到晚期视力视野有显著损害时,才会被发现,因此原发性开角型青光眼的早期诊断尤为重要。同步辐射红外显微成像结合高亮度、高分辨率的同步辐射源,同时配备傅里叶变换红外光谱仪与红外显微镜,可以实现细胞的检测。这对从分子层面获取细胞的变化信息,深入理解疾病的发病机制以及疾病的早期诊断具有非常重要的意义。虽然有很多红外光谱在生物医学领域的研究报道,但是应用红外光谱显微成像技术研究细胞等生物医学体系仍然是亟待发展的领域,并且目前未找到关于红外光谱用于小梁网细胞的检测报道。在体外用转化生长因子-β对老鼠小梁网细胞进行诱导,使其转化为肌成纤维细胞,模拟小梁细胞纤维化过程。对小梁网细胞以及经转化生长因子-β诱导形成的肌成纤维细胞进行同步辐射红外显微成像及光谱分析,并进一步探讨同步辐射用于早期诊断原发性开角型青光眼的可行性。研究表明肌成纤维细胞内的弹性蛋白明显高于小梁网细胞,而弹性蛋白中95%为非极性氨基酸,即氨基酸的侧链基团R基只有C和H两种元素。对比两种细胞的红外谱图,发现在2 934,2 900和2 845cm^-1,肌成纤维细胞的CH3,CH2和CH的伸缩振动明显强于小梁网细胞,推测可能是由于转化生长因子-β诱导后细胞内弹性蛋白增加所致。在细胞层面检测了小梁网细胞的过度增殖,为将来可以直接获取细胞的红外光谱从而检测小梁网细胞的增殖程度,进而检测原发性开角型青光眼等疾病奠定了基础。得出同步辐射红外谱学与显微成像有望成为检测原发性开角型青光眼新手段的结论,也为将来便携式红外显微光谱仪临床实时检测青光眼等疾病提供了依据。

同步辐射红外显微成像法原位表征沼渣堆肥前后有机物结构

采用同步辐射红外显微成像法原位研究了沼渣样品在堆肥前后的微区谱图和有机官能团分布特征。结果表明,堆肥前后的沼渣样品中均同时出现了脂肪(2 930 cm^(-1)),羧酸(1 721 cm^(-1)),木质素(1 436 cm^(-1))和碳水化合物(1 234,1 020和866 cm^(-1))等有机官能团的特征峰。沼渣堆肥前,沼渣样品外部的脂肪组分是已被沼气发酵过程中的微生物优先降解,而羧酸和木质素则很少被降解,同时沼气发酵过程形成了富含CO的碳水化合物类物质。与沼渣堆肥前相比较,沼渣堆肥后,样品外部的1 721和1 234 cm^(-1)特征峰几乎消失,并在1 715和1 156 cm^(-1)处形成新的特征峰,该新形成的2个特征峰可能与堆肥腐殖化过程相关。综上,同步辐射红外显微成像技术有望为表征有机物演变特征及堆肥腐熟提供参考。

癫痫大鼠海马神经元生化分子的同步辐射显微红外光谱成像研究

癫痫是影响所有年龄段的慢性脑功能障碍,主要特征为整个或局部脑区神经元异常同步化高频群集动作电位发放。利用神经毒素海人藻酸(KA)立体定位注射入大鼠海马,诱导大鼠产生癫痫持续状态,建立颞叶癫痫大鼠模型。应用同步辐射显微光谱和同步辐射显微光谱成像分析癫痫持续状态发作后24小时的颞叶癫痫大鼠海马角(CA)1区神经元生物化学分子的胞内浓度和分布是否改变。结果显示反映蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ在1 655cm-1的振动频率和属于脂类功能集团的2 800～3 000cm-1振动频率,在正常对照大鼠海马CA1神经元胞体内呈高浓度分布,但在癫痫大鼠海马CA1神经元胞体,反映蛋白质二级内呈低浓度分布,并且以细胞核分布浓度最低,但在神经元胞体外围分布浓度相对较高。属于核酸集团的1 055～1 054cm-1 PO2反对称拉伸振动在正常和癫痫大鼠海马CA1神经元胞体内分布趋势没有差异,都在胞体内呈高浓度分布,尤其在细胞核分布浓度最高。对属于酰胺Ⅰ的吸收频率进行二级导数分析显示癫痫海马神经元的酰胺Ⅰ相对于正常对照多出1个1 653cm-1附近的负峰。以上结果提示在发生癫痫持续发作后海马神经元生物化学分子的细胞分布会出现变化。

人体胆汁及胆囊癌组织的同步辐射显微红外光谱研究

同步辐射红外光源的亮度是普通光源的100~1 000倍,在测试微小样品时具有更高的空间分辨率和信噪比。本文利用同步辐射显微红外比较了患有良性和恶性肿瘤病人的胆汁样品,在测试过程中将新鲜胆汁滴在基片上,能无损测试样品。通过比较发现患良性肿瘤病人的胆汁样品中具有更高含量的脂类,而患恶性肿瘤病人的胆汁样品则含有较高含量的磷酸脂,且两者含有的胆红素和蛋白质在组成和结构上有较大的差异。同时,利用同步辐射显微红外对患胆囊癌病人的癌症组织和癌旁组织进行微区成像,并且利用层次聚类分析可知,癌症组织比癌旁组织具有更高的脂质含量。

基于同步辐射红外光谱技术的江苏茶园土壤矿物——有机复合体固存研究

【目的】分析江苏省不同茶区土壤结构的差异,寻求差异化的养分管理途径,为全省实施茶园化肥减施增效提供科学参考。【方法】表征江苏代表性茶园土壤矿物—有机复合体特征结构,利用同步辐射红外显微成像法对茶园土壤团聚体切片进行化学成像,从而获得特定组分的空间分布,进而从原位上表征样品中矿物和有机官能团的分布特征,探索茶园土壤有机碳的稳定机制。【结果】江苏省茶园土壤团聚体中的有机碳以脂肪碳(2881 cm^(-1))、芳香碳(1620 cm^(-1))和多糖碳(1100 cm^(-1))等形态存在,同时还有矿质元素氧化物Fe-O、Al-O、Si-O等存在。茶园土壤微团聚体中各元素空间分布具有高度异质性,甲基和亚甲基C-H等脂肪碳较集中地吸附在土壤微团聚体边缘(也有少量的矿物存在),而铁铝矿物的Al-O、Fe-O等官能团聚集在微团聚体内部核心位置,同时表面也吸附少量有机质;87.5%茶园土壤中黏土矿物(3620 cm^(-1))与脂肪碳相关性最高,施肥措施和植茶年限影响矿物—有机官能团相关性排序;75.0%茶园土壤铁氧化物与多糖碳相关性最高,各茶园土壤中铁铝矿物与有机官能团的亲和性排序规律受海拔、pH和植茶年限等影响而存在差异。【结论】江苏不同茶区土壤团聚体及其有机碳的分布特征揭示土壤团聚体通过矿物—有机复合体将有机质留存于土壤中,提高土壤有机质含量。生产中宜依据不同茶区养分具体管理方式、茶叶栽培特点及土壤条件,因地制宜采取差异化的茶园养分管理策略。

疼痛相关神经肽Substance P改变肿瘤细胞组分的同步辐射显微红外光谱成像研究

疼痛是肿瘤患者最常见的症状之一,长期以来,临床肿瘤治疗过程中对于疼痛症状的控制仍然不能得到足够的重视。疼痛促进肿瘤的作用机制也尚未得到全面的解析。Substance P(SP)作为介导疼痛的神经肽在癌痛患者血清中高表达。通过同步辐射显微红外光谱成像对SP刺激后的肿瘤细胞进行红外光谱采集分析,以期揭示疼痛促进肿瘤的可能机制。结果显示在乳腺癌细胞系MDA-MB-231, MCF-7及肺癌细胞系A549, SPCA-1中,反映蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ在1 655 cm^-1附近的吸收峰发生蓝移,说明SP刺激肿瘤细胞可能引起肿瘤细胞蛋白质二级结构的改变。在MDA-MB-231和A549细胞系中,光谱1 500~1 600 cm^-1波段和1 600~1 700 cm^-1中酰胺Ⅰ吸收峰和酰胺Ⅱ吸收峰也显著下降,说明在这两种细胞系中,肿瘤细胞的蛋白质表达也出现明显降低。A549细胞系中,光谱1 070~1 090cm^-1区段和1 230~1 250cm^-1中磷酸二酯基团的正反伸缩振动峰位蓝移,表明疼痛介质SP刺激A549细胞系还影响了该细胞系核酸的结构,提示SP可能引起肿瘤细胞抑癌基因的损伤及癌基因的激活。同步辐射显微红外光谱通过对单一肿瘤细胞的光谱成像分析,揭示了持续性疼痛症状通过神经递质的释放影响肿瘤细胞的生物学活性,可能是通过改变肿瘤细胞内蛋白质及核酸的结构实现的。光谱学结果显示,疼痛等不良症状的存在,疼痛相关物质的释放可能影响肿瘤细胞内蛋白质结构和表达及肿瘤细胞核酸变化,对肿瘤的治疗产生不利影响。提示在临床肿瘤治疗过程中,不仅需要重视对肿瘤细胞的杀灭,更需重视对周边症状的对症控制。

聚合物核壳结构微球的同步辐射显微表征研究

针对聚合物核壳结构微球的结构特点,引入了同步辐射显微技术对微球的结构和组分进行了初步研究.利用同步辐射X射线显微成像技术对微球的内部形貌进行了表征,观测到壳层内壁大多呈光滑的圆弧,也有局部由若干个小圆弧连接组成;利用同步辐射红外显微光谱法对核内物质的组分进行了研究,结合X射线显微成像技术观察到的微球壳层内壁的高吸收现象,初步验证了微球内铁离子在辐照下被还原的化学反应过程,表明了利用聚合物核壳结构微球来开展化学反应研究是可行的.

电子储存环的红外边缘辐射

介绍了电子储存环中偏转磁铁入口和出口处的非均匀磁场产生的辐射──边缘辐射,给出了零边缘长度、有限边缘长度、有限直线节长度条件下的辐射通量和亮度分布,通过与常规同步辐射场的比较,充分说明了边缘辐射是一种优良的红外同步辐射光源。

原位同步辐射红外关联谱学技术研究界面电化学反应过程

电化学界面动力学决定了所有电化学反应性质.从原子和分子水平上多维度原位观察电极的表界面电化学反应动态过程对于典型的电化学储能技术(电解槽、燃料电池)中催化剂的结构设计、合成和筛选具有重要意义,但是复杂的电化学界面以及微量、快速的反应中间态信号给界面电化学反应动态过程研究带来了极大的挑战.同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)具有独特的分子指纹识别功能,可以用来确定电化学界面的活性物质,结合对纳米材料的局部原子结构高度敏感的同步辐射X射线吸收精细结构(SR-XAFS)光谱可以开展界面电化学反应过程的实时动态研究,有助于指导设计用于高效高能量密度能源系统的先进电催化剂.本文基于近年来本课题组的研究工作,系统地介绍了获得高质量的电化学反应过程中同步辐射红外关联谱学实验结果的策略,及其应用于电催化反应动态过程研究成果,其中主要选用当前热门的金属有机框架(MOF)纳米材料以及金属单原子催化剂(SACs)作为研究对象.最后,对原位同步辐射实验方法发展及其针对电化学反应动态过程的研究进行了展望,旨在通过揭示电化学反应的动态机理来指导和合成高效稳定的催化材料.

NSRL红外光谱实验站及应用

简要介绍了国家同步辐射实验室（ＮＳＲＬ）红外与远红外光束线和实验站，包括光源特性、光束线结构、实验站设备简介，以及红外同步辐射在超高分辨率光谱、红外显微术、表面科学方面的应用。

同步辐射红外谱学显微光束线站的空间分辨率测试

同步辐射红外光源具有宽光谱范围、高准直性、高亮度等特点。相比于传统的红外热光源,同步辐射红外光源的尺寸非常小,空间分辨率可达到衍射极限。为了得到准确的空间分辨率信息,对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站的空间分辨率进行了测试。使用刀片法和鉴别率板对上海光源BL01B1红外谱学显微光束线站水平和垂直方向的空间分辨率进行了详细测量,两种测试方法的结果都表明在所测的中红外波段,同步辐射红外谱学显微技术的空间分辨率达到衍射极限,与理论值十分符合。

同步辐射显微红外光谱法应用于杜仲的研究

同步辐射显微红外光谱具有高亮度、高信噪比等优势.应用同步辐射显微红外光谱对于中药进行研究,可以进行微区分析,从而更加深入了解中药的组成.应用同步辐射显微红外光谱对于杜仲的冰冻切片进行研究,采集不同微区的一系列红外光谱;同时对选定区域进行化学成像,进一步研究该区域中化学组成的分布,从而对于杜仲红外光谱中各个峰的归属有深入的了解.研究结果表明同步辐射显微红外光谱是研究杜仲化学成分的有效工具,可以进一步应用于中药的研究中.

同步辐射红外共聚焦谱学三维成像重建算法研究

为获取物质内部成分的三维分布信息,研究了基于同步辐射红外光源的共聚焦三维成像重建算法。采用单点探测器扫描成像的方式,根据同步辐射红外谱学显微共聚焦三维成像的原理及非线性特性,建立了同步辐射红外谱学显微共聚焦三维成像模型;根据该模型的特点建立测试样品的模型,模拟了红外谱学共聚焦三维成像测试,得到了共聚焦三维成像的测试数据;分别使用Levenberg-Marquardt算法和改进型高斯-牛顿算法对使用前向模型模拟采集得到的结果进行重建。结果表明,前向模型中未加入误差时,Levenberg-Marquardt算法可以重建样品的三维信息,在前向模型中加入1%误差时,Levenberg-Marquardt算法重建得到的结果与实际结果偏差较大,而改进型高斯-牛顿算法可以重建样品的三维信息。

小接收角同步辐射红外光束线的优化设计

对同步辐射红外光束线中由两个相同光学参数的超环面镜组成的对称式光学系统的像差和超环面镜缩放比之间的关系进行分析。计算结果表明,使用3倍压缩比的超环面镜可将上海光源同步辐射红外光束线站BL06B的500μm波长的红外光在金刚石化学蒸汽沉积(CVD)窗上的透射率优化到50%左右;光学设计软件Zemax光线追迹结果表明,该对称式结构的像差不影响中红外光束的聚集性能。Synchrotron Radiation Workshop模拟计算结果表明,使用3倍压缩比的超环面镜和直径15mm的金刚石CVD窗获得的光子通量与使用1倍压缩比的超环面镜和直径45mm的金刚石CVD窗获得的光子通量相当,但前者的碳峰吸收约为后者的37%。由两个3倍压缩比的超环面镜组成的对称式光学结构在兼顾近中红外性能的同时,优化了同步辐射红外光束线在远红外波段的性能。

退火条件对Sn量子点生长和红外光学性质的影响

首次采用固相外延生长技术在Si(001)表面直接生长Sn量子点,并应用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和同步辐射傅里叶红外光谱(FTIR)研究了退火条件对量子点样品的表面形貌、结晶性和红外光学性质的影响。AFM结果表明,随着退火温度的升高和退火时间的延长,量子点的平均尺寸变大,面密度减小。XRD结果显示,外延得到的Sn量子点为四方结构的β-Sn,与衬底的相对取向为Sn(110)//Si(001)。由于β-Sn量子点的尺寸仍较大,同步辐射FTIR谱中没有观察到量子点的特征吸收峰。