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    應用LIBS元素分析成像技術對蛇畸形性骨炎的研究

    發布時間: 2019-03-10  點擊次數: 25次

    大量元素和微量元素的分布成像數據,可為人類和動物健康、病毒和病理、古生物學研究提供非常關鍵的信息。但是傳統分析方法例如ICP-MS等,局限于只能得到樣品整體的總元素信息,而非成像分布。

    LIBS技術則突破了這一局限,能夠對樣品表面元素進行定性定量的高分辨率甚至微分辨率成像研究; 并且能夠對包括輕元素在內的全元素同時進行快速、實時分析,無須預處理、實驗成本低,從而“掀起了化學分析方法的革命”。

     

    蛇畸形性骨炎的病因尚無定論,但很多學者認為有可能由于骨質代謝異常,但最大可能是:多瘤病毒感染--病毒的宿主是某種嚙齒類動物,蛇被它攻擊時受到感染而發病。

    在本文研究中,Lightigo團隊應用LIBS技術,分別對健康和病變的近代蛇脊椎骨及蛇脊椎骨化石進行元素分布成像分析,判斷近代蛇和蛇化石中畸形性骨炎的進展階段,進行相應的病毒病理學分析,試圖找到真正的病因,進而將研究結果應用于骨學和人類學的各個分支領域---這是由骨學角度研究當代樣品難以完成的任務。而此前,對于該病的病程和病理鮮見記錄。

    研究介紹:

    1. 樣品總體含量分析:

       為了鎖定患病蛇脊椎骨和健康蛇脊椎骨的差異元素,首先用ICP-MS對健康現代蛇骨、患病現代蛇骨、健康蛇骨化石、患病蛇骨化石4組消解樣品進行總體元素含量分析。發現:

    • 無論是現代蛇骨還是化石蛇骨,健康與患病樣品中的Na元素都差異顯著,可以確定Na元素能夠作為病情進展的指標。
    • 化石蛇骨的健康樣品和患病樣品的結果對比中,Al、Fe、Si元素含量差異顯著:骨骼中微量元素的含量差異很可能是不同疾病的重要指標,但對于化石樣品,它們的出現的原因是否有可能是微量元素由于成巖浸滲作用而被置換?
    • Ca和P元素在各個樣品中的總含量都無明顯差異,那么其局部含量是否存在差異?

      為了確認或者排除這些可能性,需要用LIBS技術做元素分布成像進一步檢驗。

      2. LIBS 元素分布成像分析:

    2.1 化石樣品組:LIBS元素分布成像結果可以非常明顯的看到,微量元素Al、Fe、Si 局限于脊椎骨的空隙、特別是中央孔洞位置,并未參與病變骨骼組織構成。因此該差異原因很可能是:化石樣品被掩埋時環境很不穩定,Fe-、Al- 飽和溶液進入脊椎骨孔隙而發生成巖浸滲作用所致------病變骨骼具有更多孔隙,而與病理并無關聯。近代病變的多孔骨組織中,Fe、Al元素含量很低,同樣與資料可查的環境變化相一致。

    以下圖Al元素分布成像為例 (黑色橫條長度為1mm)

     

    健康樣品和病變樣品中,都可見Ca和P含量較高并且接近,主要分布在中心和神經弓位置附近;Ca/P較現代組略低,原因或許是樣品處于不同的生命狀態。而病變骨樣品中,Ca、P元素分布集中、同時濃度升高;發病最早期P濃度下降比Ca慢,Ca/P值降低可作為病程判斷的依據。

    下圖為化石樣品組:健康蛇脊椎骨切面(a)和骨炎蛇脊椎骨切面(b)的Ca和P元素分布成像圖。(黑色橫條長度為1mm)

     

      2.2現代樣品組:Ca和P分布成像與化石組相似。但個別位置Ca/P異常增高,結合以往研究,可以認為是分解的病變骨組織中的Ca元素遷移至其它健康和病變骨組織,指示著病情進一步發展。

    下圖為現代樣品組:健康蛇脊椎骨切面(a)和骨炎蛇脊椎骨切面(b)的Ca和P元素分布成像圖。(黑色橫條長度為1mm)

     

    通過LIBS技術對蛇骨橫切面元素分布的研究,可以得到元素分布變化與蛇畸形性骨炎病程發展的對應關系,從而用于確定化石中的蛇骨是否染病、以及處于病程的哪一階段。突破了樣品整體元素分析的傳統方法的研究局限。

    案例文獻:Michaela Vasinova Galiova, Jozef Kaiser, Karel Novotný, et al.,Investigation of the osteitis deformans phases in snake vertebrae by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy,[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry 398(2):1095-1107


    北京易科泰生態技術有限公司是由科學家創建并為科學家提供科技服務的技術企業,是lightigo公司在中國的代理和技術咨詢服務中心。

    關于Lightigo:

    Lightigo核心成員均為爾諾科技大學激光光譜與化學分析實驗室的科研人員,該實驗室具有20余年的LIBS經驗。Lightigo是CEITEC創辦的公司,他們同時也是歐洲工程技術中心(CEITEC)的科研人員。

    Lightigo的研發使命是:“構建生命科學和Libs技術之間的橋梁;研發先進的儀器;提供專業的元素分析服務。”自1999年至今已有大量文獻發表。

    他們是在LIBS技術前沿探索的科學家,同時對生物領域,包括醫學和動物學領域元素分析具有著豐富的研究經驗,因此能夠為您提供超越“優佳工程師”的服務。同時,做為Lightigo的擁有者、產品的研發者、在布爾諾科技大學、CEITEC的長期任職者,他們會穩穩的承擔著產品背后的長久支持。

    2019年9月,世界LIBS大會在捷克布爾諾市召開。Lightigo所依托的布爾諾科技大學和CEITEC作為LIBS領域非常有影響力的機構之一,成為會議的主辦方。Lightigo的CEO Jozef Kaiser教授任會議主席。

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