同步辐射X射线成像及应用

同步辐射技术在化学领域中的应用化学领域中，同步辐射技术是一项非常重要的技术，可以用来研究材料的内部结构和化学反应产物的分析。

同步辐射技术是一种非常高级的技术，因为它可以提供非常高分辨率的图像和分析结果。

同步辐射的原理是什么？同步辐射是一种非常特殊的辐射，它是由带电粒子（例如电子）在加速器中运动时产生的。

当这些带电粒子在非常高速度下旋转时，它们会产生特殊的电磁辐射。

这种辐射具有非常高的能量和灵敏度，可以被用来探测材料的内部构造。

同步辐射和化学领域的应用同步辐射技术在化学领域中的应用非常广泛，可以用来研究各种不同的化学反应，例如光化学反应、催化反应、电化学反应等等。

其中，同步辐射X射线荧光(TXRF)技术和同步辐射X射线吸收( XAFS)技术是化学领域中应用最广泛的两种技术。

TXRF技术可以用来分析材料中极微量的元素，可以提供非常准确的分析结果。

这种技术可以被用来研究各种不同的材料，例如环境污染物、生物材料以及工业催化剂等等。

它的应用范围非常广泛，因为可以提供非常高的分辨率和精度。

XAFS技术可以用来研究材料的表面和内部结构，包括晶体、液体、气体和杂质等。

这种技术可以被用来研究各种不同的化学反应机理，包括催化、氧化还原、光化学反应和电化学反应等等。

在纳米材料方面，XAFS可以提供非常准确的表面和界面信息，对于研究材料的电子结构和化学反应机理非常重要。

同步辐射技术是现代化学研究中必不可少的一项技术，因为可以提供非常高的分辨率和精度。

随着技术的进步，同步辐射领域的发展将会更加迅速，为化学研究和应用开辟更加广阔的空间。

同步辐射成像技术在材料科学中的应用研究同步辐射成像技术是一种高分辨率的成像技术，可以突破传统光学成像的限制，用于材料科学领域的研究。

它利用同步辐射光的特点，通过收集和分析样品反射、散射和透射的辐射，可以获取高质量的材料结构和组成信息。

这种技术在材料科学研究中具有广泛的应用，下面将重点介绍几个典型的应用研究方向。

1.同步辐射X射线成像技术在材料科学中的应用同步辐射X射线成像技术是一种独特的非破坏性成像方法，可以用于表征材料的微观结构和成分。

通过调节辐射的能量和波长，可以实现对不同材料的成像。

例如，可以利用同步辐射X射线成像技术对材料的晶体结构、晶粒大小以及材料中的缺陷、杂质等进行高分辨率的观察和分析。

此外，由于同步辐射X射线的高亮度和短脉冲宽度，还可以应用于材料的动态研究，如材料熔化、相变和应力变化等过程的实时观测。

2.同步辐射红外成像技术在材料科学中的应用同步辐射红外成像技术是一种非接触式的成像方法，可以实现对材料的红外辐射进行高分辨率成像。

红外成像可以提供材料的热分布和热传导等信息，对于研究材料的热性质、热辐射和热传导等方面具有重要意义。

利用同步辐射红外成像技术，可以实时观测材料的温度分布、热传导过程以及热辐射特性等。

这对于材料的热性能研究、材料的热稳定性评估以及材料的红外导热材料制备等方面具有重要应用价值。

3.同步辐射显微镜技术在材料科学中的应用同步辐射显微镜技术是一种集成了高空间分辨率成像和高能量分辨率光谱分析的成像技术，可以用于对材料的表面形貌、化学组成和电子结构的研究。

通过同步辐射显微镜技术，可以实现对材料的原子尺度成像，观察材料中的晶格、原子排列以及表面形貌等信息。

此外，还可以应用于材料的局域电子结构研究，如表征材料中的化学键、价带结构和局域电子态等。

这对于了解材料的电子性质、催化反应机理以及材料界面的相互作用等方面有重要意义。

总之，同步辐射成像技术在材料科学中具有重要的应用价值，可以实现对材料的高分辨率观测和分析。

同步辐射X射线成像：绘制“大脑地图”的利器“光”是生活中不可或缺的资源，人类的发展历程离不开光的使用。

早在2 400年前的古希腊，亚里士多德就对光产生了思考，虽然其理论后续被证实是错误的，但还是对光的研究产生了深远的影响。

生活中肉眼可见的光是“可见光”，根据波长的不同，光还可以分为无线电波、红外、紫外、X 射线和γ射线等。

当可见光照射人体时，会有一部分光反射到我们的眼睛中，所以我们“看到”了他人。

但是当X射线照射到人体时，则会穿透人体，通过X光底片记录不同角度穿透人体的程度，就可以复原人体内部的结构。

这也是临床中X光电子计算机断层扫描（CT）的原理。

如何利用“光”帮助研究大脑呢？临床中医生通过X光CT对头部进行扫描研究脑的结构与形态，观察其病变情况；光遗传学中，研究光调控神经元的活动；钙成像中，研究者通过观察“闪烁”的神经元记录其活动；荧光成像中，研究者通过向动物大脑注射病毒使神经元发出“荧光”从而观察神经元的形态。

诸如此类的方法还有很多，“光”伴随着大脑的研究。

我们在这里重点介绍利用基于同步辐射光源的X 射线成像对大脑，尤其是神经元结构进行的研究。

从二维到三维神经元成像神经元是神经系统最基本的结构和功能单位，对大脑的研究离不开对神经元的研究。

1873年卡米洛•高尔基（Camillo Golgi）发明了高尔基染色法，染色后神经元呈现黑色，首次展现了神经元的结构。

接着，卡哈尔（Cajal）对高尔基染色法进行了完善，使其更好地应用于神经科学研究。

1906年，高尔基和卡哈尔被共同授予诺贝尔生理学或医学奖。

人类大脑中约有上千亿个神经元，每个神经元又会和成百上千个神经元通过突触连接。

想要分析这些神经元如何整合成一个系统并发挥作用，绘制“大脑地图”是重要的突破点。

我们知道，绘制道路地图需要标明地点和道路，绘制“大脑地图”也一样。

神经元的胞体像是地点，神经元之间的连接像是道路。

而绘制地图则离不开对神经元结构的成像。

x射线成像技术的原理与应用1. 引言•x射线成像技术是一种非常重要的医学和工业检测方法。

•本文将介绍x射线成像技术的原理和应用。

2. x射线成像技术的原理•x射线是一种电磁辐射，具有较高的穿透能力。

•x射线成像技术利用x射线穿透物体并与物体内部的不同组织或材料发生相互作用，进而形成影像。

•x射线成像技术的原理主要包括：–x射线源：产生x射线的设备，通常是由高能电子束轰击金属靶发生器产生。

–物体：被检测的对象，可以是人体内部组织、工业产品等。

–探测器：用于捕捉和测量x射线通过物体后的剩余辐射。

–影像处理系统：将探测器捕捉到的剩余辐射转化为图像。

3. x射线成像技术的应用3.1 医学领域•普通x射线检查：用于骨折、腹部钙化、肺部结核等疾病的诊断。

•CT扫描：通过旋转式x射线源和探测器，获得物体的三维图像，用于帮助诊断和手术规划。

•放射治疗：利用x射线的高能量特性，对肿瘤进行放射性治疗。

3.2 工业领域•无损检测：用于检测工业产品的内部缺陷，如焊接缺陷、材料疏松等。

•安全检查：用于检测安全隐患或非法物品，如行李箱、货物等。

•原材料分析：通过x射线的特征谱线，分析物体的成分和结构。

4. x射线成像技术的优势•高分辨率：x射线成像技术可以获得高分辨率的图像，可以清晰地显示物体的细节。

•高穿透能力：x射线可以穿透一部分物质，能够检测和观察物体内部的结构。

•非侵入性：x射线成像技术对被检测对象没有伤害。

•快速：x射线成像技术可以在短时间内获得图像。

5. x射线成像技术的发展趋势•数字化：x射线成像技术越来越多地采用数字化处理，可以实现图像的存储、传输和分析。

•多模态成像：将x射线成像技术与其他成像技术结合，可以获得更全面和准确的信息。

•低剂量成像：针对x射线辐射对人体的潜在危害，研究人员正在努力降低x射线成像的辐射剂量。

•自动化：利用计算机和人工智能等技术，实现x射线成像的自动化处理和分析。

6. 结论•x射线成像技术是一种重要的医学和工业检测方法，应用广泛且不断发展。

同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。

尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。

近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。

同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。

据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。

我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。

1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。

其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。

”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。

这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。

现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。

1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。

这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。

同步辐射在固态电解质上的应用
首先，同步辐射技术可以用于研究固态电解质的结构特征。

通
过X射线衍射技术，可以确定固态电解质中离子的位置和晶格结构，从而揭示材料的晶体结构、晶格参数和晶体缺陷等信息。

这对于理
解固态电解质的离子传导机制和稳定性具有重要意义。

其次，同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）等技术可以用于研究固态电解质材料的化学成分和电子结构。

这些技术可以提供关于材料中元素的化学状态、电子态密度和离子
迁移路径等信息，为设计和优化固态电解质材料提供重要参考。

此外，同步辐射X射线散射技术还可以用于研究固态电解质材
料的动力学行为。

通过原位和实时的X射线散射实验，可以观察固
态电解质中离子的扩散和迁移过程，揭示材料的离子传输机制、界
面反应和电化学性能。

总之，同步辐射在固态电解质研究中发挥着重要作用，为深入
理解固态电解质材料的结构与性能提供了强大的实验手段，也为固
态电池等器件的设计与应用提供了重要的科学支持。

希望这些信息
能够对你有所帮助。

5.6 X射线成像及医学应用光束线5.6.1科学目标第三代同步辐射光源以其高亮度、高通量及能量可调等显著优点使得新的X 射线成像方法飞速发展起来。

X射线成像方法包括吸收衬度成像、位相衬度成像及双色减影成像等各种相干及非相干成像方法。

第三代同步辐射光源可以为生物医学、材料科学、考古学、地球物理学及先进制造业等应用领域提供一个非常先进的工具。

在这些应用领域中，同步辐射的医学应用正变得越来越重要。

早期基于同步辐射应用的医学研究主要包括医学成像，用于早期诊断和辐射治疗。

一个非常重要的例子就是冠状动脉成像，冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，也是老年人最常见的一种心血管疾病。

使用X射线能量在碘K吸收边处、辐射通量比X光机高4到7个数量级的同步辐射光，利用晶体单色仪从入射白光中选出能量分别位于碘K吸收边上缘和下缘的两束准单色光，进行双色数字减影快速成像。

1976年底美国斯坦福大学首先提出并于1979年在SSRL启动了同步辐射人体冠状动脉造影计划。

紧接着，前苏联Novosibirsk的核物理研究所，德国汉堡的HASYLAB，日本筑波的PF也开始了这项工作。

迄今为止，已有三个装置（NSLS，HASYLAB，PF）开展了人体的心血管造影研究。

特别是德国HASYLAB的NIKOS 装置，到1999年10月已完成对379个病人的测量。

这表明，同步辐射心血管造影装置正在开始进入实用阶段，这种方法也能够被病人很好接受。

位于法国Grenoble的欧洲同步辐射装置（ESRF）也建造了专用的医学应用实验站(ID17)并于2000年1月开展了首例心血管造影的人体研究。

哮喘是一种非常常见的疾病。

随着工业化的发展，越来越多的人患上了这种疾病，在同步辐射实验站上已经开展了一些关于肺成像的开创性研究。

严重危害人类健康的另一类疾病是癌症。

恶性肿瘤的早期诊断对于有效延长患者的生命进而彻底根治癌症具有决定性的意义。

近年来，同步辐射技术的应用使得医学影像学在这方面有十分显著的进展，如观测头和颈部肿瘤的计算机断层扫描术、乳房肿瘤的X射线成像术。

同步辐射xrd
同步辐射X射线衍射（Synchrotron X-ray diffraction）是一种利用同步辐射光源进行X射线衍射研究的技术。

同步辐射光源是一种高亮度的X射线光源，具有非常强的辐射能力和高度聚焦的特点。

通过将样品暴露于同步辐射光源下，可以获得非常细致的X 射线衍射数据。

同步辐射X射线衍射技术可以提供高分辨率的晶体结构信息，以及材料的晶体学、表面结构和缺陷结构等信息。

同步辐射X射线衍射技术在材料科学、固体物理学、生物化学、地质学等领域有广泛的应用。

它可以用于研究材料的相变行为、晶格畸变、材料的应力状态等问题，对于理解材料的性质和开发新材料具有重要的意义。

同步辐射X射线衍射技术的发展离不开现代光源的进步。

同步辐射光源包括第三代加速器、自由电子激光器和四代加速器等。

这些光源的发展不仅提高了同步辐射X射线衍射技术的分辨率和灵敏度，还开辟了新的研究领域和实验方法。

总的来说，同步辐射X射线衍射技术是一种非常强大的分析工具，可以为科学家提供丰富的结构信息和材料性质的了解，为材料科学和相关领域的研究提供重要支持。

同步辐射X射线荧光（sXRF）成像戴维·瑟罗古德（David Thurrowgood）1.分类同步辐射X射线荧光（synchrotron X-ray fluorescence，sXRF）成像是对平面上的元素进行定性和定量测量的技术，用的是电磁频谱中的X射线，属于非侵入式成像技术。

不同于传统的X射线照相，这种方法提供的不是重元素的密度分布图，而是通过对元素的精确鉴定，用波谱数据生成平面上的元素分布图。

2.说明X射线荧光（XRF）测量的是特定原子对高能光子照射的反应方式。

X射线光子发射到对象表面，引发光子与待测元素间的相互作用。

探测器通常与样品表面成角度放置，以测量X射线与样品中元素相互作用后性质的变化。

不同的元素对入射辐射的反应不同，因此探测器接收到的辐射也会有专属于每种元素的特性。

根据对（微观或宏观）表面上各种元素的检测结果，可绘出一套不同元素在样品中的浓度分布图。

可将这种分布图当作图片来查看，但它是由样品表面许多单个分析点位排列成的点阵。

sXRF只有在使用同步辐射源的情况下才能取得最佳效果，不过人们正在开发更为有效的实验室方法和便携方法。

3.应用XRF既可进行宏观水平的检测，也可进行微观水平的检测。

光斑大小可从纳米级到毫米级。

这种灵活性意味着它既可以测量一个颜料层断面上颜料颗粒的分布变化，也可以测量整幅画面上的元素分布。

这项技术主要适用于较重的金属元素，不过在某些实验配置下也可检测较轻的元素。

XRF是针对绘画作品在创作过程和复绘过程中所发生变化的最有效检测工具之一，也可以有效地验证一件作品上是否存在与推定的艺术技法和创作时代相符的元素。

此外，这种方法对痕量元素的检测也非常有效。

这种技术最近在处理采集数据的能力方面有了进步，已可进行数字解构与重建，可对绘画的分层结构进行电脑着色，包括对底色层的色彩重建。

这种技术在分析颜料层断面时，可以提供颜料颗粒级的成分细节，包括氧化态信息，这些信息对艺术品的劣化机制评估和作者归属都有价值。

同步辐射在固体发光材料研究中的应用引言
随着科学技术的发展，同步辐射在固体发光材料研究中得到了广泛的
应用。

同步辐射是一种在特定频率范围内发射强烈的紫外到X射线电磁辐射。

它的特点是波长非常精确，强度高，光斑小，可以提供精细的物理和
化学分析，建立分子的结构和动力学。

同步辐射发挥着重要作用，可以用
于固体发光材料的研究，主要用于结构、性质、物理和化学等方面的研究。

1.利用同步辐射表征材料的结构
X射线衍射(XRD)是利用X射线同步辐射研究固体材料结构的最有效
方法，它可以用来研究材料的晶体结构、晶体尺寸、结晶度和晶格参数等。

X射线衍射能够探测到固体材料结构中微粒的排列方式、位错的存在以及
材料中的晶界缺陷等。

例如，可以用X射线衍射确定纳米晶体结构、晶体
空间群等。

2.同步辐射表征材料的物理性质
X射线吸收精细结构技术(XAFS)可用于研究固体材料的物理性质。

XAFS是指利用X射线同步辐射的电磁辐射技术，可以研究固体中原子之
间的物理性质，如晶格结构、化学结构、原子的倍态分布、元素的分布等，即表征不同元素在材料中的形态，以及它们之间的互相作用。

3.同步辐射表征材料的化学性质。

同步辐射X 射线相衬显微CT 在古生物学中的应用*殷宗军1朱茂炎1,­肖体乔2(1 中国科学院南京地质古生物研究所 现代古生物学和地层学国家重点实验室 南京 210008)(2 中国科学院上海应用物理研究所 上海光源X 射线成像及生物医学应用光束线站 上海 201204)摘 要 X 射线无损成像技术在古生物化石标本研究领域中应用十分广泛.近几年来,随着技术的不断革新,同步辐射X 射线相衬显微断层成像技术(SRX-PC -L CT )也被引入到这一领域.由于同步辐射光源产生的硬X 射线具有高亮度、高准直性和高空间相干性等优点,可以实现化石标本高分辨率(亚微米级)的无损三维显微成像,给古生物学的发展带来了新的机遇.文章简要回顾了用于古生物化石标本无损成像技术的发展历程,并在此基础上综述了同步辐射X 射线断层显微成像技术在古生物学领域的应用现状和前景.关键词 古生物学,同步辐射X 射线三维成像,综述,化石,CTApp lication of synchrotron X -ray m icroto mography i n paleontol ogyfor nondestructive 3-D i m aging of fossil speci m e nsY IN Zong -Jun 1Z HU M ao -Y a n1,­X IAO T -i Q iao2(1 S t a teK ey L abora t ory o f Pa l a e obi ology and S tra ti g ra phy ,Nanjin g Institute o f G eol ogya nd P alaeon t olo gy,C hinese Aca d e my o f S ciences ,N anji ng 210008,Ch i na )(2 SS RF,Shan g h a i Institute o f Appli ed Physics ,Ch i n eseA ca d e m y of S cie nces ,Shan g h a i 201204,Ch i na )Abstract X-ray m i a g i ng has been e mployed i n paleonto l ogy form ore than 100years ,and hasmade great con -tribut i ons to t he nondestr uct i ve studies of paleontolog i ca l fossil specm i ens .W ith the development of X -r ay techno-l ogy ,a ne w type of nondestructive m i agi ng ,sync hr otron X-ray m icroto m ography ,has been appli ed to this fiel d i n recent years .This is a special k i nd of m i cro -co m puter to m ogr aphy base d on hard X -rays fro m synchr otr on radia -tion ,which is characterize d by hi gh brilliance ,high tra nsverse spatial coherence and a high degree of un-i d irec -tionality .Nondestr uctive 3-D m i ag i ng w ith sub m icron resolut i on of fossils is no w possi ble ,openi ng up ne w poss-i bilities for paleontology .Th is paper rev i e w s rece nt developments and future prospects of the appli cat i on of phase -contrast -enhanced synchrotr on X -r ay m i cr oto m ography in pa l eonto l ogy .K eywords pa leonto l ogy ,sync hrotron X-ray m icroto mography ,revie w,f ossi,l CT* 国家自然基金(批准号:40725005)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2006CB806401)资助项目2009-04-07收到­ 通讯联系人.Em ai:l myzhu @n i gpas .ac .cn1 引言古生物学是研究地质历史时期生物及其演化历史的学科,它的主要研究对象是保存在沉积岩中各式各样的化石.化石按保存方式的不同可以分为实体化石、模铸化石、遗迹化石和分子化石四种.其中实体化石(经石化作用保存了全部或部分生物遗体的化石)在地质历史时期形成的数量最多,加之其保存的生物体结构信息较其他类型化石要丰富,因而研究价值也最大.在研究实体化石的过程中,化石标本成像是不可或缺的研究手段之一.随着古生物学研究的不断深入,人们对实体化石标本的成像技术提出了越来越高的要求.无损成像作为最理想的成像方式颇受古生物学家的关注.目前在该领域中最受青睐的成像手段是同步辐射硬X 射线断层显微成像技术.这一技术的出现给古生物学的发展带来了新的增长点,为研究化石,尤其是小型和微体化石的三维结构和超微构造提供了无与伦比的手段[1)3].2化石标本无损成像的重要性化石标本成像是研究化石过程中使用最为普遍的一种手段.无论是研究可用肉眼观察的大化石还是肉眼难以分辨的微体化石,获取清晰的化石图像是描述化石之前必不可少的操作.由于实体化石标本的多样性(按化石尺寸大小分可分为大化石和微体化石,按保存类型的不同可分为骨骼化石和矿化软躯体化石)和研究目标的差异,古生物学家往往要采用多种成像方法.目前,传统的成像方法主要有三种:普通光学数码照相技术、扫描电子显微镜成像技术和透射电子显微镜成像技术.其中普通光学数码照相还可以借助实体显微镜或透射光学显微镜采集化石标本的微观结构图像,即通常人们所说的/反射光学显微数码照相0和/透射光学显微数码照相0.以上三种成像方法能满足多数情况下各种化石的成像需求.但它们一般只能采集化石标本的外观图像(除非化石标本本身是残破的),在揭示完好保存的化石标本内部结构信息方面则有很大的局限性.而化石内部结构信息往往是解决化石分类问题的关键所在,比如珊瑚、菊石(一种生活在海洋中类似于鹦鹉螺的头足类,已于6500万年前与恐龙一道灭绝)等无脊椎动物骨骼化石,了解其内部结构是鉴定它们分类位置的前提.用传统方法研究化石内部结构,则需要通过切片的方式将标本制作成薄片.由于化石标本的稀缺性,很多精美的化石被切片后不仅失去了全貌,而且无法再使用其他方法进行进一步的研究.尤其是对于微体化石,切片过程中会磨损很多重要的标本,而且重要化石切面的获得具有很大的偶然性.加上从单一切面恢复生物体的立体形态存在相当大的误差,导致化石的描述和诠释充满了多解性和不确定性.随着古生物学研究的发展,化石无损成像技术,即能在不破坏化石标本的前提下,全方位解析化石的三维立体结构,尤其是化石的内部结构(内部结构往往是解决疑难化石分类位置的关键)的技术,已成为古生物学家迫切需要的研究手段.无损成像技术不仅在解读化石标本内部结构信息方面游刃有余[2,4,5],而且还能帮助研究人员有效地规避化石在修理过程中被破坏的风险[5].众所周知,化石通常都埋藏在沉积岩当中.对于包埋在围岩中的大化石,一般需要借助器械通过人工修理来揭露化石结构,比如用电动、气动或人工钻头修理保存在火山凝灰岩中未出露的恐龙骨骼化石,用小刻刀修理页岩中出露不完全的三叶虫化石等等.对于微体化石,由于肉眼难以分辨,则往往使用化学方法来分离围岩和化石.化学分离法一般是采用酸处理的方式溶蚀化石围岩(要求化石和围岩成分不同),然后再借助体视显微镜对岩石不溶残渣进行人工筛选,挑选出没有被酸侵蚀的化石标本.但无论是人工修理还是化学分离,都不可避免地会对化石造成不同程度的破坏.对于古生物学研究来说,珍稀标本被破坏后的损失是不可估量的,而无损成像技术使得规避标本被破坏的风险成为可能[6].特别重要的是,无损成像技术因X射线的强穿透性,不仅能够发现没有暴露的化石标本和结构[5](图1),而且对一些肉眼和普通光不能辨别的化石形态和结构(各种矿化了的生物软躯体和器官等)进行高吸收衬度成像,从而受到古生物学家的重视.图1使用X射线无损成像技术寻找岩石中未出露的化石标本(引自文献[5])(a)为已部分修理的板岩外观普通光学照片,只能观察到一个海星化石标本;(b)为X射线照射过后的板岩照片,除能观察到图(a)中的海星化石外,还发现了埋藏在板岩内部两个叠覆在一起的大型海星化石化石标本无损成像技术的诞生不仅是古生物学领域的一场技术革新,更为学科的发展带来了新的生机.通过无损成像技术的再研究,一些使用传统手段无法鉴定的疑难化石的分类位置将被重新厘定.基于传统研究方法获得的化石信息而得出的生物分类和系统演化结论,也将随着这项技术的发展而被重新审视和评估.3化石标本无损成像技术的发展早在1896年(即X射线被发现的第二年),德国古生物学家就曾用刚发明不久的普通医用X光机对泥盆纪早期(4.16)3.97亿年前)洪斯吕克板岩化石群(H unsr ck S late fossils)的某些动物化石进行了无损成像研究,这是无损成像技术应用于古生物学领域的最早记录[5].早期的X射线无损成像技术所获得的图像分辨率并不高,故未得到普遍推广,但在寻找和辅助修理精美化石标本以及对保存在页岩或板岩中重要化石标本的无损成像等方面仍然做出了重要贡献.上世纪30年代以来,随着普通X光机成像分辨率的逐渐提高,该技术才被普遍应用.直到今天,这种成像技术仍然还在化石研究中发挥着重要作用[7].虽然X光机能在不损坏化石标本的同时获得较为清晰的化石图像,但这一方法的应用仍然受到各种限制.首先,该方法只对矿化的标本(比如黄铁矿矿化)有比较满意的成像效果.因为常规X射线成像是以吸收衬度和几何光学为基础的一种无损成像方法,一般矿化的标本因富含重金属元素,对X 射线的吸收较其围岩(含石英、长石或方解石等透明矿物居多)要高,故能获得衬度较好的高分辨图像.但对于富含轻元素或者内部密度差别较小的标本成像效果并不理想.其次,该技术受到化石标本厚度的限制.化石或者岩石标本过厚,普通X射线难以穿透,无法获得清晰的图像.第三,X射线照相(radiography)采集的是化石标本的二维图像,缺乏空间层次感,不利于生物体三维立体结构的复原.这也是该方法最大的缺陷.也正是因为这一缺陷,古生物学家不得不找寻更好的无损研究技术,以解决化石标本三维重建问题.传统手段对化石标本三维结构重建是通过连续切片(serial sli c i n g)或称连续磨片(serial gridi n g)的方式,借助普通光学数码照相和计算机图像重构软件来实现的[8].长期以来,这种方法因具有操作简单,对设备要求不高,而且在研究大化石方面有较好效果等优点而被广泛应用[9)15].但随着微体古生物学研究的不断深入和化石超微结构研究需求的增长,这种方法的局限性也越来越明显.一方面,连续切(磨)片的方法实际上得到的是一个/虚拟化石0,获得了化石的三维结构图像,但标本本身却被切成了薄片或被磨成了粉末,因此不满足/无损研究0这一标准;另一方面,这种方法的精度难以提高.连续切片的切面间距很难控制在1mm以下,连续磨片的截面间距最小也只能达到10L m的级别[8,9,13],而且普通光学数码照相技术的空间分辨率不能满足对化石超微结构的研究要求,故只能以大化石为研究对象,对微体化石无法操作[8].X射线断层成像技术(X-ray co m puted to m o-graphy,CT)的出现,弥补了传统方法和X射线放射成像在化石三维结构研究方面的不足.这一无损成像技术自出现以来,由于其广泛的应用潜力,得到快速发展.目前,按照空间分辨率和适合观察的标本尺度的不同,CT技术可一般性地归为四大类[4](见表1).表1CT技术的种类(引自文献[4])CT类型可观察标本的尺寸分辨率常规CT(conventi onal CT)米级1000L m 高分辨率CT(h i gh-resol u ti on CT)分米级100L m超高分辨率CT(ultr a-hi gh-res ol uti on CT)厘米级10L m显微CT(co mputedm icr o-t o mography)毫米级1L m 目前市场上的医用CT多数是常规CT,其空间分辨率远远无法满足化石(尤其是微体化石)图像三维重建的需求.工业CT的种类齐全,分辨率覆盖范围较广,从毫米级别的常规CT到微米级别的L CT都有[4].由美国国家自然科学基金资助的德克萨斯大学奥斯汀分校/高精度X射线C T实验室0配置的/X rad iaM icr oCT scanner0的分辨率甚至能达到亚微米级别[16].由于对体积较大的化石(如大型动物头骨化石等)进行三维图像重建时,不需要过高的空间分辨率,且吸收衬度成像也能获得效果满意图像,因此高分辨率和超高分辨率的工业CT基本上能满足大化石无损三维成像研究的需求[6,17)20].但对于微体化石,工业CT往往难以获得有意义的化石内部结构图像.工业CT的最高空间分辨率虽然能达到亚微米级,但它的成像基础是吸收衬度成像,只有在化石内部密度差比较大的情况下才能获得较高的成像衬度,如黄铁矿化的化石.然而,微体化石在石化作用过程中,除少量以有机质形式保存外,通常被某一种矿物质(如硅质、钙质、磷酸盐物质等)完全置换,使得化石内部密度差不大.因此,在工业CT上难以获得满意的成像衬度,导致化石图像反差过小,内部结构难以辨析,无法满足微体化石的高分辨率三维成像的要求.同步辐射X射线相位衬度显微断层成像技术(SRX-PC-L CT)的出现才完满地解决了微体化石的无损高分辨率三维显微成像问题.同步辐射是高能带电粒子(特别是高能电子)在磁场中沿弧形轨道做回旋运动时沿切线方向放出的电磁辐射,它覆盖了从远红外到硬X射线范围的宽广波段.通过特殊的光路系统可将同步辐射光中的硬X射线提取出来,应用于各种研究,化石标本的三维无损成像就是其中之一.同步辐射的发展经历了三代,即第一代的兼容环,如我国的北京同步辐射光源;第二代的专用环,如我国的合肥同步辐射光源;目前已发展到第三代,它是大量使用插入件技术的低发射度光源,亮度比前两代光源有了大幅度的提高.国内刚刚建成并投入使用的上海光源属于高性能的第三代同步辐射光源,能量居世界第四.由于发射度低,它的高亮度X射线辐射已具备较好的空间相干性,在相位衬度成像方面具有较大的优势.利用同步辐射X射线成像具有以下三方面的优点:第一,同步辐射光源产生的X射线亮度远远优于常规X光机,因此在使用同步辐射X射线进行化石标本成像时可以将X射线单色化,避免了使用X光机成像时化石标本对多色X光差异吸收后产生的硬化伪像(harden i n g artefact)[1,2].与此同时,同步辐射X射线有高度准直的特性,不会造成用普通X光成像时产生的几何伪像(geo m etrica l arte-fact)[1].第二,同步辐射X射线具有的高束流强度(high bea m i n tensity)不仅保证了无损成像时的高空间分辨率,而且能大量缩短成像时间,提高成像效率[2].第三,低发射度同步辐射X射线是准相干光,使得相位衬度断层成像(phase contrast to m ography)成为可能.相位衬度成像是20世纪90年代才发展起来的一种新的成像方式,它通过记录X光穿透标本后的相位变化来反映标本内部电子密度分布情况,从而得到标本内部结构的信息.这种成像方式在一定条件下可以极大地提高成像衬度,改变X射线发现百余年来吸收衬度成像一统天下的格局,解决了微体化石等低吸收衬度标本的高分辨率图像三维重建难题[2,21].目前,同步辐射X射线相衬显微断层成像技术(SRX-PC-L CT)是公认的可用于化石无损三维显微成像研究的最佳方法.它的空间分辨率可以达到亚微米级,断层扫描的虚拟切面间隔可小至不到1L m,借助相关计算机图像三维重构软件,可以获得解析度极高的化石图像,而且实现了化石内部结构的三维可视化.4S RX-PC-L CT在古生物学中的应用SRX-PC-L CT应用于化石无损成像研究虽然只有10年左右的时间,但成果斐然.在古无脊椎动物学(如不透明琥珀中的昆虫和早期动物胚胎化石等)、古脊椎动物学(如头骨、羽毛和牙齿化石等)和古植物学(如植物生殖器官和种子化石)等研究领域都取得了突破性进展.4.1SRX-PC-L CT与琥珀化石研究以内含物的形式保存在地质历史时期琥珀中的生物是一种特异埋藏的实体化石.这些琥珀化石多样性极高,有大量的昆虫、蜘蛛等无脊椎动物和高等植物的球果、花粉等.由于包裹在琥珀中的生物体遭受成岩作用破坏的程度较少,因而保存了比普通实体化石更为丰富的生物结构信息,为演化古生物学和古生态学研究提供了不可多得的珍贵化石材料.研究琥珀化石的传统方法多是使用光学显微镜,或切片后用扫描电镜观察.这不仅破坏了珍贵的化石标本,还难以用于研究不透明的琥珀标本(地质历史时期产生的琥珀中有相当数量是完全不透明的,即使被抛光后也无法使用光学显微镜进行观察[21].近年来,SRX-PC-L CT成为古生物学家研究琥珀化石,尤其是不透明琥珀的首选[2,22)25],而且已探索出能快速地从大量不透明琥珀标本中找寻化石并进行三维显微成像的方法,大大提高了琥珀化石无损三维成像的效率[22].琥珀作为化石特异埋藏条件之一,除了能保证化石标本的完整性外,更为重要的是它可以特异保存很多难以通过普通成岩作用埋藏成为化石的生物结构,比如鸟类的羽毛化石.羽毛化石是研究鸟类起源和飞行起源的必不可少的化石材料,长期以来,羽毛实体化石标本极其缺乏(岩石中的羽毛化石都是印痕化石,没有保存羽毛的立体结构,细节信息也只有少量残留,甚至没有),因此琥珀中三维保存的羽毛化石标本的稀缺性使得同步辐射X射线无损三维成像技术成为科学家们的不二之选.2008年,Per-richot等人使用SRX-PC-L CT等技术研究了来自法国西部的白垩早期(约距今1亿年)琥珀中的羽毛化石,这些标本填补了鸟类羽毛演化历史的一个关键的中间环节,其研究结果完善了关于羽毛演化过程的理论[25],是该领域一个令人振奋的研究成果.4.2SRX-PC-L CT与早期动物胚胎化石研究除琥珀外,通过矿化作用(如黄铁矿化、硅化、磷酸盐化等)三维立体保存的非骨骼化石也属于特异埋藏的化石.中国贵州5.8亿年前的瓮安生物群就是一个典型.它主要由三维立体保存的磷酸盐化微体化石组成.自1998年2月/N at u re0和/Science0杂志上同时报道了瓮安生物群中动物胚胎化石的发现以来[26,27],瓮安生物群就成为国际早期生命研究领域的一大前沿热点,并产生了一门新的交叉学科)))化石胚胎学.化石胚胎学的兴起对胚胎化石内部结构的三维图像重建提出了要求,因此在动物胚胎化石发现的第二年,就有专家尝试将SRX-PC-L CT技术引入到这一领域(陈均远,私人通信). 2006年夏,陈均远等人首次采用该技术证实了具极叶构造的螺旋动物胚胎化石在瓮安生物群中的存在,表明两侧对称动物在5.8亿年前就已经出现[28],这一成果将后生动物的起源时间向前推进了近5千万年.同年秋,Donoghue等和H agadorn等分别使用同步辐射和工业X射线L CT技术,第一次成功地实现了动物胚胎化石的三维图像重建[3,29],为SRX-PC-L CT在化石胚胎学领域的推广起到了重要的示范作用.4.3S RX-PC-L CT与古人类学研究长久以来牙齿化石一直是用于鉴定脊椎动物系统分类和探索其演化进程的极佳材料.尤其是在头骨等骨骼化石十分缺乏的古人类学研究领域,牙齿化石为探索古人类与类人猿之间的演化关系以及现代人种起源的历程做出了重要贡献[30)34].为了提取牙齿化石三维结构和超微构造中隐藏的生物学信息,如动物系统发生、个体生长发育、年龄、食性、齿系过程(dentiti o n process)、机械适应性等,传统的研究手段只能使用切片法切开牙齿标本,然后借助扫描电子显微镜进行观察.这种方法的缺陷有三:首先,不满足无损研究的要求;其次,单从一张或若干张切片中所能了解的信息有限;第三,无法实现牙齿化石的三维图像重建.传统方法的局限性使得X射线L CT技术在该领域中快速普及[18,35)38],其中SRX-PC-L CT因高空间分辨率和高成像衬度已经成为古人类学家研究牙齿化石的首选[1,2,30].值得一提的是,SRX-PC-L CT在实现高分辨率三维图像重建的同时,还能轻松地测量齿冠厚度和体积,极大地拓展了人们从有限的标本中提取更多生物信息的能力.4.4SRX-PC-L CT与古植物学研究在古植物研究领域,SRX-PC-L CT也得到了广泛应用.除了对普通微体植物化石(如轮藻化石等)进行系统分类学的厘定研究外[39],该方法在疑难植物化石研究中发挥了重要作用.2007年,Friis等人研究了来自葡萄牙和南美洲早白垩纪一些裸子植物的种子化石.这些种子化石由于经受过自然野火的作用,不仅以三维立体的方式保存下来,而且还保存了细胞级结构细节.但由于这些种子化石个体通常只有几个微米大小,长期以来囿于传统成像手段限制而遭到人们忽视.Friis等人使用SRX-PC-L CT技术重建了这些化石的三维结构图像,发现这些微体化石是买麻藤类和苏铁类的种子.化石的细微构造的比较研究还说明,买麻藤和苏铁是由同一个分类群分支演化而来.这一结论为学术界解开/达尔文讨厌之谜0(即被子植物起源假之谜)和完善种子植物(包括裸子植物和被子植物)系统关系提供了重要证据[40].5SRX-PC-L CT在我国古生物学研究中的应用前景近30年来,中国各地大量珍贵化石的发现和研究,修正和改写了一些重要生物类群的起源和演化过程,中国也逐步成为国际古生物学领域的研究大国,对完善生命进化历史做出了卓越的贡献[41].其中我国云南澄江动物群和贵州瓮安生物群成为全球动物起源和寒武纪大爆发研究领域的焦点.十余年来,两大化石群的研究取得了许多令人瞩目的成果.澄江动物群特异保存了大量的动物软躯体化石,证实了包括脊椎动物在内的各种动物造型在寒武纪初期(5.3亿年前)就已经快速出现,它的发现和研究极大地冲击了学术界关于地史时期生命演化速率和进化机制的传统认识.瓮安生物群则以大量磷酸盐化的动物卵和胚胎化石为特征.目前世界上最古老的两侧对称的动物小春虫化石[42]和具极叶构造的螺旋动物胚胎化石[28]在瓮安生物群中的发现,证实了包括三胚层两侧对称动物在内的后生动物早在寒武纪之前的5.8亿年前就已经出现的事实[41)43].瓮安生物群也因此以/迄今最古老的后生动物化石群0的身份,越来越受到全球古生物学界的关注.由于传统化石标本成像手段的局限性,两大化石群中仍有许多难题尚未解决.比如澄江动物群中软躯体化石的立体形态复原和疑难化石分类问题,瓮安生物群中大量动物卵和胚胎化石的三维结构的重建以及卵裂方式的鉴定等问题.这些难题因直接关系到演化生物学领域有关动物起源和早期演化过。