超高灵敏度台式软X射线显微成像设备.PDF

超高灵敏度台式软X 射线显微成像设备 一、项目意义及需求分析 （一）意义 软X 射线显微技术相比于光学显微成像和电子显微镜成像技术，有着其独特的优势。传 统的光学显微技术，采用可见光（波长 390nm~700nm ）进行成像，由于受到衍射极限的限 [1] 制，分辨率很难达到200nm 以下 。电镜的分辨率非常高，但是电子穿透能力弱，无法穿透 细胞对其进行三维成像；同时其对生物样品的观测还需要一系列诸如切片、脱水等处理，这 [2] 无疑破坏了样品的内部结构信息，不可能对完整含水细胞进行成像 。而软X 射线成像技术， 由于其采用波长远小于可见光波长的软X 射线 （波长2.3nm~ 4.4 nm ）进行成像，理论上的 极限分辨率达到1.2nm；同时X 射线波段的2.3nm~4.4 nm 区间(284eV~534 eV) 内，蛋白质、 脂类和其他含碳氮化合物对光子的吸收比水要高一个数量级，在此窗口内水环境相对于生物 样品透明 （故该区域被形象的称为“水窗”），能通过自然衬度提供清晰的细胞图像。因此软 X 射线显微成像技术所用样品通常不必进行脱水处理，观测时也无需处于高真空的状态，能 [3] 够更好地展现生物体的自然状态，给出定量的生物成像信息 。同时通过投影成像和三维重 [4] 构技术，软X 射线显微技术还能够获得细胞内部的三维精细结构 。Nature 于2006 年发表 [5] 专题评论提出，软X 射线显微成像技术使细胞纳米成像成为现实 ，近十年来采用软X 射线 [6-9] 对细胞进行成像的研究层出不穷 。 软X 射线显微成像设备主要由软X 射线光源、光路系统、探测器系统组成。软X 射线光 源需要具备高亮度、高准直等特点，一般采用同步辐射光源；光路系统主要涉及到了X 射线 聚焦技术，一般采用菲涅尔滤波片；探测器系统需要高的分辨率和灵敏度，目前一般采用软 X 射线段的CCD 器件。然而传统的软X 射线显微成像依赖于大型的同步辐射光源，其体积巨 大、成本非常高，导致其成像设备的搭建，只能集中在几个拥有大型同步辐射装置的实验室， 比如北京先进光源、上海光源、合肥光源等，大大限制了其应用的推广，无法真正走进实验 室，满足实验室日常实验需求。目前出现了采用激光等离子体作为光源的软X 射线显微成像 设备。激光等离子体光源的结构简单、造价也不高，可以使得软 X 射线显微成像设备小型 化、台式化。这种台式软X 射线显微成像设备可以满足广大实验室的成像需求，可以推动软 X 射线显微成像技术在更多的领域得到更广泛的应用，具有非常重要的实际意义。 （二）应用需求基本信息 软X 射线显微成像设备由于它的高分辨率和特有的“水窗”性质，非常适合用于生命分析 化学领域中的应用，尤其适合于生物大分子的结构和功能研究。比如在生物大分子的结构和 [10] 功能研究方面，常文瑞等 成功测定了菠菜主要捕光复合物2.72 A 分辨率的X 射线晶体结 构，将人们关于光合作用中所涉及的光能收集和能量转移过程的知识全面提升到原子数据水 [11] 平。饶子和等 利用同步辐射 X 射线衍射研究病毒重组蛋白与三糖共结晶结构，从而发现 [12] 了病毒受体结合模式和精确的位点，是病毒领域突破性的研究进展。柴继杰等 使用同步辐 射X 射线测定了番茄中抗性蛋白-蛋白激酶Pto 与丁香假单胞杆菌中效应蛋白AvrPto 的复合 物的晶体结构，从分子水平上揭示了细菌效应蛋白 AvrPto 激活植物免疫系统的结构基础。 美国的A L S 同步辐射装置利用常规吸收衬度与免疫金标记法结合，获得标记的蛋白质或生