植物学报 ›› 2018, Vol. 53 ›› Issue (3): 364-371.doi: 10.11983/CBB17104

所属专题: 药用植物专辑

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新疆阿魏特征显微结构的三维原位无损研究

刘慧强1,*(), 凯撒·苏来曼2, 孙芸3, 庞渊4, 樊孝喜1, 谢茹1, 柳超1, 段颖妮1, 马燕1   

  1. 1新疆医科大学医学工程技术学院, 乌鲁木齐 830011
    2新疆维吾尔自治区中药民族药研究所, 乌鲁木齐 830002
    3新疆医科大学中医学院, 乌鲁木齐 830011
    4乌鲁木齐市中医医院, 乌鲁木齐 830000
  • 收稿日期:2017-05-23 接受日期:2017-10-07 出版日期:2018-05-01 发布日期:2018-09-11
  • 通讯作者: 刘慧强 E-mail:hqliu@xjmu.edu.cn

3-D In-situ Non-destructive Structural Characterization of Ferula sinkiangensis

Liu Huiqiang1,*(), Sulaiman·Kaisa2, Sun Yun3, Pang Yuan4, Fan Xiaoxi1, Xie Ru1, Liu Chao1, Duan Yingni1, Ma Yan1   

  1. 1College of Medical Engineering and Technology, Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, China
    2Xinjiang Uygur Autonomous Region Institute of Traditional Chinese Medicine and Ethno-Medicine, Urumqi 830002, China
    3College of Chinese Medicine, Xinjiang Medical University, Urumqi 830011, China
    4Urumqi Hospital of Traditional Chinese Medicine, Urumqi 830000, China
  • Received:2017-05-23 Accepted:2017-10-07 Online:2018-05-01 Published:2018-09-11
  • Contact: Liu Huiqiang E-mail:hqliu@xjmu.edu.cn

摘要:

利用新型第三代高亮度同步辐射光源相衬成像技术, 可实现弱吸收(主要含碳、氢、氧和氮等元素)物质材料特征结构的无损三维鉴定。以具有极高药用价值的新疆地产药材——阿魏(Ferula)为研究对象, 采用同步辐射高分辨X射线相衬显微CT技术, 并结合相位恢复算法, 有效解析和评价了新疆阿魏(F. sinkiangensis)的三维特征结构, 极大提高了对药材类生物样品的显微结构和密度的分辨能力, 从而为新疆阿魏的特征分辨、品质鉴定和真伪识别提供了一种直观可靠的三维可视化新手段。

关键词: 同步辐射光源, 相衬显微CT, 相位恢复, 显微结构鉴定, 新疆阿魏

Abstract:

Synchrotron-based X-ray phase-contrast micro-tomography is being used for achieving nondestructive and 3-D characterization due to the high contrast imaging of low Z materials (consisting of C, H, O, N elements). In this paper, we present a new method to combine the high resolution synchrotron-based X-ray phase-contrast imaging technology and phase retrieval algorithm for analyzing and evaluating the 3D inner micro-structures and nondestructive characteristic structures of Ferula sinkiangensis. The method successfully revealed the 3-D micro-structures and characteristics of F. sinkiangensis with high-density resolution, demonstrating that the method is an intuitive and reliable tool of 3D visualization, which has good potential for characterizing and identifying Chinese medicine materials.

Key words: synchrotron radiation source, phase-contrast micro-tomography, phase retrieval, microscopic identification, Ferula sinkiangensis

图1

新疆阿魏药用部位(A)与实验样品(B)"

图2

上海光源X射线成像及生物医学应用线站(BL13W1)实验光路示意图(A)和基于标量衍射的同轴相衬成像(PPCT)原理图(B)"

图3

上海光源X射线成像与生物医学应用线站(BL13W1)实验平台包括高精度六维样品台(样品置于红色椭圆处的套管中)以及高分辨X射线探测器。"

图4

新疆阿魏根茎部同轴相衬显微CT成像(PPCT)重构结果的三切面图(A) 横向切割图; (B) 冠状面切割图; (C) 子午面切割图。1: 导管; 2: 内涵韧皮部薄壁细胞; 3: 木栓纤维束; 4: 淀粉粒; 5: 微阿魏酸酯簇晶(此图仅是样品重构切片的某一层, 具有代表性, 可观察到密度较高的阿魏酸酯簇晶, 表现为高亮度的像素分布)。Bars=150 µm"

图5

新疆阿魏根茎部同轴相衬显微CT成像(PPCT)三维渲染重构体视图(A) 根茎部各组分的彩色显微特征体结构(其中浅蓝色代表植物细胞壁和管径, 深蓝色代表植物导管空腔和孔隙); (B), (C) 基于相位恢复算法定量提取的纤维束导管(蓝色)、淀粉粒(蓝紫色)及阿魏酸酯簇晶(红色)不同角度的三维结构及特征分布。"

图6

新疆阿魏茎节叉部同轴相衬显微CT成像(PPCT)重构结果的三切面图(A) 横向切割图; (B) 冠状面切割图; (C) 子午面切割图。白色实线箭头示节结分叉线, 分布高密度阿魏酸酯晶粒(白色高亮的颗粒分布); 白色虚线箭头示横向纤维束, 呈射线状, 内含纵向微管束; 白色长点箭头示高致密管状木栓纤维束, 内含圆形薄壁细胞群。Bars=150 µm"

图7

新疆阿魏茎节叉部同轴相衬显微CT成像(PPCT)三维渲染重构体视图(A) 不同颜色代表茎节叉部各组分的显微特征体结构(浅蓝色代表植物细胞壁和管径, 深蓝色代表植物导管空腔和孔隙); (B), (C) 基于相位恢复算法的定量提取分叉线(蓝紫色)及横向纤维束(红色)的不同角度三维结构及特征分布。"

图8

基于相位恢复的新疆阿魏茎种子部同轴相衬显微CT成像(PPCT)三维渲染重构体视图(不同颜色代表种子各组分的显微结构特征: 由外及里为种皮、子叶、胚芽、淀粉粒和油管等结构)(A) 种子顶部横断面图; (B) 种子中部横断面图; (C) 种子内淀粉粒体视图和子叶组织; (D) 种子内油管的三维结构及特征分布"

[1] 黄博, 姜兆玉, 屈红霞, 马三梅 (2010). 龙牙花不同花器官的表皮形态. 植物学报 45, 594-603.
[2] 孔妤, 王忠, 顾蕴洁, 汪月霞 (2008). 植物根内通气组织形成的研究进展. 植物学通报 25, 248-253.
[3] 黎耀东, 付淑媛, 何江, 樊丛照, 李晓瑾 (2016). 新疆特有药用植物新疆阿魏资源现状与分析. 中国现代中药 18, 714-718.
[4] 刘慧强, 任玉琦, 周光照, 和友, 薛艳玲, 肖体乔 (2012). 相移吸收二元性算法用于X射线混合衬度定量显微CT的可行性研究. 物理学报 61, 078701.
[5] 刘慧强, 王玉丹, 任玉琦, 薛艳玲, 和友, 郭瀚, 肖体乔 (2012). 采用吸收修正Bronnikov算法的有机复合样品的X射线显微计算机层析研究. 光学学报 32, 0434001.
[6] 刘家熙, 阎秀峰 (2005). 西藏产四种卷柏科植物的孢子形态观察. 植物学通报 22, 44-49.
[7] 肖体乔, 谢红兰, 邓彪, 杜国浩, 陈荣昌 (2014). 上海光源X射线成像及其应用研究进展. 光学学报 34, 0100001.
[8] 徐晓琴, 倪慧, 魏鸿雁, 贾晓光, 张本刚, 卿德刚 (2013). 新疆地产三种肉苁蓉的显微鉴别研究. 时珍国医国药 24, 881-883.
[9] 薛艳玲, 肖体乔, 吴立宏, 陈灿, 郭荣怡, 杜国浩, 谢红兰, 邓彪, 任玉琦, 徐洪杰 (2010). 利用X射线相衬显微研究野山参的特征结构. 物理学报 59, 5496-5507.
[10] 叶琳琳, 薛艳玲, 倪梁红, 肖体乔 (2014). 种子类中药材的三维显微结构的原位研究. 中国中药杂志 39, 2619-2623.
[11] 叶琳琳, 薛艳玲, 谭海, 陈荣昌, 戚俊成, 肖体乔 (2013). X射线相衬显微层析及其在野山参特征结构的定量三维成像研究. 光学学报 33, 1234002.
[12] Paganin D, Mayo SC, Gureyev TE, Miller PR, Wilkins SW (2002). Simultaneous phase and amplitude extraction from a single defocused image of a homogeneous object.J Microscopy 206, 33-40.
[13] Xie HL, Deng B, Du GH, Fu YN, Chen RC, Zhou GZ, Ren YQ, Wang YD, Xue YL, Peng GY, He Y, Guo H, Xiao TQ (2015). Latest advances of X-ray imaging and biomedical applications beamline at SSRF.Nucl Sci Tech 26, 020102.
[14] Xue Y, Liang Z, Tan H, Ni L, Zhao Z, Xiao T, Xu H (2016). Microscopic identification of Chinese medicinal materials based on X-ray phase contrast imaging: from qualitative to quantitative.J Instrum 11, C07001.
[15] Ye LL, Xue YL, Ni LH, Tan H, Wang YD, Xiao TQ (2013). Application of X-ray phase contrast micro-tomography to the identification of traditional Chinese medicines.J Ins- trum 8, C07006.
[16] Ye LL, Xue YL, Wang YD, Qi JC, Xiao TQ (2016). Identification of ginseng root using quantitative X-ray microtomography.J Ginseng Res 41, 290-297.
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[1] 高翠;陈玉霞;包颖;冯旻;路安民. 白穗花有性器官与胚胎发育形态的研究 [J]. 植物学报, 2010, 45(06): 705 -712 .
[2] 蒋高明. 全球大气二氧化碳浓度升高对植物的影响[J]. 植物学报, 1995, 12(04): 1 -7 .
[3] 张军 韩碧文. 植物激素细胞和组织化学定位的研究进展[J]. 植物学报, 1995, 12(专辑3): 131 -142 .
[4] 汤彦承. 国际植物命名法规简介(V)[J]. 植物学报, 1984, 2(04): 51 -57 .
[5] 徐继. 保护固氮酶免受氧破坏的蛋白Fe—S蛋白Ⅱ[J]. 植物学报, 1986, 4(12): 1 -4 .
[6] . 国外大刊重要论文简介[J]. 植物学报, 2001, 18(05): 633 .
[7] 黄兆祥 郑珍贵 朱笃. 池杉—水稻系统的生态效应(1)系统中池杉的生长特性[J]. 植物学报, 1996, 13(02): 48 -51 .
[8] 谷瑞升 刘群录 陈雪梅 蒋湘宁. 木本植物蛋白提取和SDS-PACE分析方法的比较和优化[J]. 植物学报, 1999, 16(02): 171 -177 .
[9] 蒋高明. LI-6400光合作用测定系统:原理、性能、基本操作与常见故障的排除[J]. 植物学报, 1996, 13(增刊): 72 -76 .
[10] 李玲 罗蕴秀 何建辉 潘瑞炽. GL生根剂促进木本植物插枝生根[J]. 植物学报, 1996, 13(增刊): 63 -65 .