微区XRF技术分析无机元素在植物中的原位分布

doi:10.11983/CBB20051

摘要/Abstract

摘要： 植物的无机元素分布特征对植物生理过程具有重要的指标作用, 可揭示营养物质分布、代谢途径及毒理耐受性等多种生命过程。用微区XRF技术测试样品中无机元素的分布, 具有原位无损、可进行较大面积样品连续成像分析以及前处理过程简单等诸多优势。将微区XRF技术应用于植物样品不同器官的无机元素分布检测, 旨在探讨该技术在植物样品测试中的仪器参数选择、样品前处理方法和数据后处理手段等对测试结果的影响。为得到可靠的实验结果, 对不同含水量的器官进行不同的前处理, 并比较不同驻留时间、测试腔体真空与否等仪器条件对测试结果的影响, 同时对数据处理方法进行探索, 包括对获得的数据进行图像叠加及对不同元素浓度比例进行半定量分析。研究结果表明, 微区XRF技术测试植物样品中无机元素分布具有一定的技术优势。

关键词: 植物, 微区XRF, 元素分布, 原位, 无损

Abstract: The distribution characteristics of inorganic elements in plants play an important guiding role in the physiological, studies, which can reveal the distribution of nutrients, metabolic process, toxicity tolerance and other aspects in plants. Micro-XRF technology has many advantages to study inorganic elements, such as in situ, non-destructive, large area sample continuous mapping analysis, and simple pretreatment process. This study aims to explore the instrument parameters, pre-processing methods and data post-processing methods of micro-XRF in the distribution of inorganic elements of different plant organ samples. According to the difference of water content of different organs, we carried out different pretreatment schemes to obtain reliable experimental results. The influence of different point dwell time, chamber vacuum and other experimental conditions were compared. A variety of processing methods, such as image overlay, semi-quantitative analysis of concentration ratio of different elements, were carried out. The results show that micro-XRF technique has certain advantages in the determination of the distribution of inorganic elements in plant samples.

Key words: plant, micro-XRF, element distribution, in situ, nondestructive

林梵宇, 尹希杰, 梁毓娜, 黄杰超. 微区XRF技术分析无机元素在植物中的原位分布. 植物学报, 2020, 55(6): 733-739.

Fanyu Lin, Xijie Yin, Yuna Liang, Jiechao Huang. Analysis of In Situ Distribution of Inorganic Elements in Plants by Micro-XRF. Chinese Bulletin of Botany, 2020, 55(6): 733-739.

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图/表 5

图1 新鲜样品(A)与梯度脱水样品(B)在仪器环境内放置1天后的对比 Bars=1 mm

Figure 1 Comparison of fresh sample (A) and gradient dehydrated sample (B) one day after placed at instrument environment Bars=1 mm

表1 不同条件下的微区XRF面扫结果

Table 1 Micro-XRF area scanning results under different conditions

	Vacuum (%)				Vented (%)
Dwell time (ms)	200	50	30	10	200	50	30	10
Mg	4.6	4.6	4.6	4.7	4.7	5.2	5.1	4.7
Al	2.3	2.4	2.3	2.3	3.6	3.1	3.6	3.9
Si	1.4	1.3	1.4	1.5	0.6	0.5	0.6	0.6
P	0.7	0.7	0.8	0.8	0.2	0.2	0.2	0.3
S	2.1	2.1	2.2	2.2	0.6	0.6	0.6	0.6
K	13.7	13.6	13.7	13.7	12.8	12.6	12.8	12.4
Ca	38.2	38.9	39.3	39.4	36.5	36.5	37.2	36.2
Cr	3.6	3.6	3.6	3.5	3.6	3.4	3.6	3.8
Mn	3.4	3.4	3.4	3.3	3.4	3.5	3.3	3.6
Fe	11.8	11.6	11.2	11.5	14.4	14.6	13.6	13.4
Ni	1.6	1.6	1.5	1.5	2.2	2.1	2.2	2.5
Cu	2.0	2.0	1.9	1.9	2.8	2.6	2.8	2.9
Zn	1.6	1.6	1.5	1.5	2.1	2.1	2.0	2.4
As	0.5	0.4	0.4	0.4	0.8	0.5	0.6	0.7
Cd	9.1	9.0	9.0	8.7	6.8	7.2	6.6	7.0
Pb	3.3	3.3	3.1	3.1	5.1	5.3	5.2	5.0

图2 茎横截面中不同元素的分布特征 (A) 茎横截面; (B) 磷; (C) 硫; (D) 钙; (E) 钾; (F) 锰; (G) 钙、钾、锰叠加。Bars=500 μm

Figure 2 Distribution characteristics of different elements in stem cross section (A) Stem cross section; (B) P; (C) S; (D) Ca; (E) K; (F) Mn; (G) Ca, K, Mn overlay. Bars=500 μm

图3 叶片样品中锰元素的分布 (A)-(C) 对照组 ((A) 叶片样品; (B) 锰元素浓度分布热图; (C)钙锰比值分布色图); (D)-(G) 实验组 ((D) 叶片样品; (E) 锰元素浓度分布热图; (F) 钙锰比值分布色图; (G) 锰元素线性分布情况)。Bars=5 mm

Figure 3 Distribution characteristics of Mn in leaf (A)-(C) Control group ((A) Leaf; (B) Mn concentration heatmap; (C) Ca/Mn colormap); (D)-(G) Experimental group ((D) Leaf; (E) Mn concentration heatmap; (F) Ca/Mn colormap; (G) Linear distribution of Mn). Bars=5 mm

图4 叶片样品中锰和钾元素的含量 (A) 对照组; (B) 实验组

Figure 4 Content characteristics of Mn and K in leaves (A) Control group; (B) Experimental group

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