硬X射线显微技术在细胞成像中的应用研究

摘要

X射线显微技术能够以纳米级分辨率，呈现完整细胞的内部三维结构。我们结合泽尼克相位衬度和适合于硬X射线细胞成像的重金属染色的样品制备方式，在8keV下，成功地实现了优于50纳米空间分辨率的裂殖酵母细胞二维和三维成像，成像衬度足以解析细胞超微结构。从成像结果中可以得到细胞周期内不同时期的细胞形态，以及细胞器的鉴别和形态分布的显示，并可以对细胞周期内不同形态下的细胞器与细胞体积比进行定量分析。此研究证明了硬X射线显微成像技术用于细胞成像的可行性。
　　 本论文主要开展了以下几个方面的工作；
　　 1．X射线显微成像技术有着传统细胞成像技术无法比拟的优势，如光镜和电镜。结合泽尼克相位成像方法和纳米CT成像技术，可以以几十纳米的空间分辨率获得样品的内部结构信息。还介绍了国家同步辐射的硬X射线成像实验线站，包括其光学设计和光束线。
　　 2．介绍了基于X射线成像线站的实验方法，对细胞样品的制备方法，即双重固定、重金属盐染色、脱水、临界点干燥等。还介绍了基于国家同步辐射实验室的TXM成像系统的流程和结果。在8keV能量的相位衬度模式下，得到了裂殖酵母细胞的二维投影图，并结合纳米CT技术，进一步得到了重构片层图和三维分割渲染图。在细胞的超微结构观察中，得到了细胞的整体结构和各种细胞器结构的三维渲染图。
　　 3.细胞周期内三种不同时期的细胞成像结果的分析和讨论。首先对细胞内的细胞器种类进行了鉴定和区分，最终分为两大类一液泡和线粒体、脂滴。然后分析了细胞以及细胞器的形态随细胞周期的变化趋势和原因。最后我们计算出细胞器和两大类细胞器分别在细胞中的体积比，得出静止期的细胞器体积比是其他两个时期的两倍左右，而生长期和分裂期的比重基本保持一致，这种变化趋势同样分别适用于液泡和线粒体、脂滴两大类细胞器。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 细胞成像

1.2 传统显微镜技术

1.2.1 光学显微镜技术

1.2.2 电子显微镜技术

1.3 X射线显微成像技术

1.3.1 软X射线成像显微技术

1.3.2 硬X射线成像显微技术

1.4 本文的主要工作和内容安排

第二章 X射线成像技术的实验方法

2.1 X射线Zernike相位成像技术

2.1.1 Zernike相位成像的原理

2.1.2 Zernike相位成像的实例

2.2 X射线三维成像技术

2.2.1 纳米CT的工作原理

2.2.2 X射线三维成像技术实例

2.3 硬X射线成像线站

2.4 本章小结

第三章 硬X射线细胞成像的流程和结果

3.1 样品制备

3.1.1 样品制备的基本要求

3.1.2 样品制备的步骤

3.1.3 样品制备的原理

3.2 硬X射线细胞成像实验

3.3 细胞成像结果

3.3.1 二维数据

3.3.2 重构片层图和三维渲染

3.4 本章小结

第四章 硬X射线成像结果分析和讨论

4.1 细胞周期

4.2 细胞结构

4.2.1 细胞壁

4.2.2 细胞器

4.2.3 细胞核

4.3 细胞成像结果分析

4.3.1 细胞形态分析

4.3.2 成像数据定量分析

4.4 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果