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應(yīng)用LIBS元素分析成像技術(shù)對蛇畸形性骨炎的研究
發(fā)布時間： 2020-03-10 點(diǎn)擊次數(shù)： 2403次大量元素和微量元素的分布成像數(shù)據(jù)，可為人類和動物健康、病毒和病理、古生物學(xué)研究提供非常關(guān)鍵的信息。但是傳統(tǒng)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(shù)則突破了這一局限，能夠?qū)悠繁砻嬖剡M(jìn)行定性定量的高分辨率甚至微分辨率成像研究; 并且能夠?qū)Πㄝp元素在內(nèi)的全元素同時進(jìn)行快速、實(shí)時分析，無須預(yù)處理、實(shí)驗(yàn)成本低，從而“掀起了化學(xué)分析方法的革命”。
蛇畸形性骨炎的病因尚無定論，但很多學(xué)者認(rèn)為有可能由于骨質(zhì)代謝異常，但大可能是：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(fā)病。
在本文研究中，Lightigo團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用LIBS技術(shù)，分別對健康和病變的近代蛇脊椎骨及蛇脊椎骨化石進(jìn)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(jìn)展階段，進(jìn)行相應(yīng)的病毒病理學(xué)分析，試圖找到真正的病因，進(jìn)而將研究結(jié)果應(yīng)用于骨學(xué)和人類學(xué)的各個分支領(lǐng)域---這是由骨學(xué)角度研究當(dāng)代樣品難以完成的任務(wù)。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(xiàn)代蛇骨、患病現(xiàn)代蛇骨、健康蛇骨化石、患病蛇骨化石4組消解樣品進(jìn)行總體元素含量分析。發(fā)現(xiàn)：
- 無論是現(xiàn)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(jìn)展的指標(biāo)。
- 化石蛇骨的健康樣品和患病樣品的結(jié)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(biāo)，但對于化石樣品，它們的出現(xiàn)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(rèn)或者排除這些可能性，需要用LIBS技術(shù)做元素分布成像進(jìn)一步檢驗(yàn)。
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(jié)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(gòu)成。因此該差異原因很可能是：化石樣品被掩埋時環(huán)境很不穩(wěn)定，F(xiàn)e-、Al- 飽和溶液進(jìn)入脊椎骨孔隙而發(fā)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(guān)聯(lián)。近代病變的多孔骨組織中，F(xiàn)e、Al元素含量很低，同樣與資料可查的環(huán)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(jīng)弓位置附近；Ca/P較現(xiàn)代組略低，原因或許是樣品處于不同的生命狀態(tài)。而病變骨樣品中，Ca、P元素分布集中、同時濃度升高；發(fā)病早期P濃度下降比Ca慢，Ca/P值降低可作為病程判斷的依據(jù)。
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(xiàn)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(jié)合以往研究，可以認(rèn)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(jìn)一步發(fā)展。
下圖為現(xiàn)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(shù)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(fā)展的對應(yīng)關(guān)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(tǒng)方法的研究局限。
案例文獻(xiàn)：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(tài)技術(shù)有限公司是由科學(xué)家創(chuàng)建并為科學(xué)家提供科技服務(wù)的技術(shù)企業(yè)，是lightigo公司在中國的代理和技術(shù)咨詢服務(wù)中心。關(guān)于Lightigo：
Lightigo核心成員均為爾諾科技大學(xué)激光光譜與化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室的科研人員，該實(shí)驗(yàn)室具有20余年的LIBS經(jīng)驗(yàn)。Lightigo是CEITEC創(chuàng)辦的公司，他們同時也是歐洲工程技術(shù)中心（CEITEC）的科研人員。
Lightigo的研發(fā)使命是：“構(gòu)建生命科學(xué)和Libs技術(shù)之間的橋梁；研發(fā)先進(jìn)的儀器；提供專業(yè)的元素分析服務(wù)。”自1999年至今已有大量文獻(xiàn)發(fā)表。
他們是在LIBS技術(shù)前沿探索的科學(xué)家，同時對生物領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)和動物學(xué)領(lǐng)域元素分析具有著豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，因此能夠?yàn)槟峁┏?ldquo;優(yōu)佳工程師”的服務(wù)。同時，做為Lightigo的擁有者、產(chǎn)品的研發(fā)者、在布爾諾科技大學(xué)、CEITEC的長期任職者，他們會穩(wěn)穩(wěn)的承擔(dān)著產(chǎn)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(xué)和CEITEC作為LIBS領(lǐng)域非常有影響力的機(jī)構(gòu)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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