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关键词： 低剂量X射线辐射   深Ⅱ度烫伤   伤口愈合   分子机制   安全性  

摘要： 伤口不愈合严重影响患者生活质量,加重患者经济压力,并给全球医疗保健系统构成巨大挑战。近年来,尽管对伤口治疗进行了广泛研究,但伤口不愈合仍是个常见的临床问题。因此,探索更简单、无创和有效的治疗方法迫在眉睫。低剂量电离辐射(Low dose ionizing radiation,LDIR)与高剂量辐射有着截然不同的生物学效应,可以增强免疫功能,促进生长发育等。然而,LDIR在烫伤伤口治疗中鲜有报道。 本研究选用控温烫伤仪在昆明小鼠背部建立深Ⅱ度烫伤模型,评估了低剂量X射线辐射在深Ⅱ度烫伤伤口治疗中的作用及机制。从伤口愈合的不同阶段探讨了低剂量X射线对伤口愈合过程中创面外观、组织病理学、炎症反应、抗氧化应激能力、转录组变化和微生物多样性等过程的调控。同时,通过小鼠皮肤外观、行为学及主要脏器评估了低剂量X射线在深Ⅱ度烫伤伤口治疗中的安全性。 研究结果显示:(1)控温烫伤仪可成功建立深Ⅱ度烫伤模型,条件为温度80℃,压力0.5kg,时间10s。创面形态学显示建模后烫伤创面外观呈白色,边缘整齐,24h后可见结痂形成。组织病理学显示烫伤10s组表皮层缺失,组织坏死溶解,创伤达真皮深层,有大量炎性细胞浸润,附属结构基本被破坏,符合深Ⅱ度烫伤特征。 (2)本研究探究了LDIR促进烫伤伤口愈合的分子机制。利用控温烫伤仪建立深Ⅱ度烫伤模型,利用X射线仪用不同的照射模式进行照射治疗,与模型组相比,0.25Gy×3治疗能够显著加快伤口愈合进程。组织病理学分析表明,与模型组相比,0.25Gy×3治疗促进烫伤创面肉芽组织增生修复,再上皮化和胶原沉积。接下来,我们探究了LDIR在炎症期促进伤口愈合的分子机制。通过ELISA和免疫组化检测小鼠血清及烫伤创面组织中的促炎细胞因子IL-1β、TNF-α和IL-6,与模型组相比,0.25Gy×3治疗降低血清及组织中促炎因子含量。通过免疫组化检测小鼠烫伤创面组织中的免疫细胞,与模型组相比,0.25Gy×3治疗降低小鼠创面组织中巨噬细胞和中性粒细胞浸润,增加M2型巨噬细胞浸润。通过Tunel染色检测小鼠烫伤创面组织中的细胞凋亡,与模型组相比,0.25Gy×3治疗增加烫伤创面细胞凋亡,提示LDIR治疗可能会促进巨噬细胞等炎症细胞的凋亡,进而减轻炎症反应。此外,我们探究了LDIR治疗对烫伤创面抗氧化应激能力的影响。结果显示,与模型组相比,0.25Gy×3治疗可以显著降低烫伤创面组织中ROS含量,升高创面组织中CAT、GST活性,降低MDA含量,且具有统计学差异,提示LDIR治疗可以增强抗氧化应激能力。免疫组化检测小鼠烫伤创面组织中DNA双链断裂损伤标志物γH2AX和53BP1,与模型组相比,0.25Gy×3治疗降低γH2AX和53BP1表达,提示LDIR能够提高烫伤创面DNA修复能力。我们通过透射电镜初步探讨了LDIR治疗对烫伤创面细胞自噬的影响,结果显示LDIR治疗可以减轻烫伤创面细胞自噬。通过测序分析发现差异基因与免疫反应、自噬、转录调控、蛋白翻译后修饰等有关,还与NF-κB信号通路,Toll样受体信号通路相关。我们进一步探究了LDIR在增殖和重塑期促进伤口愈合的分子机制。通过免疫组化检测小鼠烫伤创面组织中肌成纤维细胞标志物α-平滑肌肌动蛋白,细胞增殖标志物Ki67以及血管内皮细胞标志物血小板内皮细胞黏附分子-1,与模型组相比,0.25Gy×3照射治疗促进α-平滑肌肌动蛋白,Ki67和血小板内皮细胞黏附分子-1的表达,表明LDIR可以通过促进成纤维细胞活化、角质形成细胞、成纤维细胞及内皮细胞等细胞增殖和血管生成,进而促进伤口愈合。我们通过对16S r RNA全长基因的高通量测序来评估LDIR对烫伤伤口愈合不同阶段创面微生物多样性的影响,结果显示0.25Gy×3照射治疗会改变炎症期、增殖期和重塑期烫伤创面微生物物种丰富度和多样性指数,微生物群落结构等。 (3)最后,我们评估了LDIR在烫伤伤口治疗中的安全性。采用不同的照射模式照射正常小鼠皮肤表面,观察到小鼠皮肤表面未出现明显的损伤和刺激作用。旷场实验显示,0.25Gy×3治疗未对小鼠的行为活动产生显著影响。此外,LDIR治疗后小鼠的心、肝、脾、肺和肾脏的外观形态、脏器指数以及组织病理检查均未出现明显异常。小肠组织病理检查显示,第7天时,与正常组相比,模型组肠组织可见多处灶性溃疡,实验组肠组织可见片状溃疡,黏膜层结构不清。第14天时,模型组和实验组肠组织的肠绒毛数量丰富,呈杵状;与正常组相比,未见明显异常。提示LDIR是一种安全的治疗方式,可用于伤口治疗应用。 综上所述,本研究初步证明0.25Gy×3治疗可以在伤口愈合的不同阶段促进深Ⅱ度烫伤伤口的愈合,且安全性高,为LDIR治疗伤口愈合提供了一定的参考价值。

关键词： CdTe纳米线   混合集成   超连续谱   非线性效应   色散  

摘要： 超连续谱宽光谱、高亮度的特性使其在环境监测、生物医学、测绘计量、通信系统、国防安全等领域有着重要的应用前景,与此同时,片上光子器件具有体积小、抗干扰能力强等显著优势,因此,实现超连续谱的片上化具有重要的意义。针对目前基于光纤或波导产生超连续谱的方法存在工作距离长、泵浦能量高以及难以集成的问题,本文提出采用高非线性碲化镉(Cadmium telluride,CdTe)纳米线产生超连续谱并开展了CdTe纳米线宽谱片上混合集成结构设计的工作,通过对其中涉及的科学理论以及关键技术的研究,基于CdTe纳米线实现了短工作距离,低泵浦能量的超连续谱输出以及宽谱片上混合集成结构设计。本文开展的主要研究内容如下: 第一,分析超连续谱产生的国内外发展现状,总结现阶段超连续谱产生的方式,对目前超连续谱产生中存在的问题进行分析,考虑到CdTe纳米线优异的光学特性,提出将CdTe纳米线用于超连续谱产生研究。 第二,介绍了采用化学气相沉积法制备CdTe纳米线,利用时域有限差分法研究了CdTe纳米线的线性与非线性导波特性,通过采用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程,分析了色散和非线性效应在脉冲演化过程中产生的影响。 第三,利用时域有限差分法分析了脉冲光在CdTe纳米线中的展宽过程,重点分析了CdTe纳米线的尺寸以及泵浦源参数对光谱展宽的影响,通过理论仿真,在直径为550 nm,长度为500μm的CdTe纳米线中实现了输出光谱强度在40 d B范围内,输出波长为1075-2985 nm,光谱宽度达1.9μm的超连续谱输出,此时的泵浦波长为1550 nm,脉宽为100 fs,峰值功率为20 W,单脉冲泵浦能量仅为2 p J。通过设计并搭建空间光路超连续谱激发实验系统,采用中心波长1550 nm的飞秒激光器对直径为550 nm,长度为565μm的CdTe纳米线进行泵浦,实验观测到明显的光谱展宽情况。 第四,通过光学绝热耦合理论设计了CdTe纳米线宽谱片上混合集成结构,分析了CdTe纳米线与硅波导的尺寸参数对宽谱耦合效率的影响,采用电子束光刻工艺完成了对混合集成结构中硅波导的加工制作。实验结果表明,选用直径495 nm的CdTe纳米线,在1150-1650 nm的波长下,实现了与硅波导90%以上的耦合效率,此时的耦合长度为10μm,耦合谱宽达500 nm。表明了所提出的混合集成结构可以在短距离下实现高效的宽谱耦合。 第五,对本文中的研究工作进行总结与展望,本文实现了CdTe纳米线在超短工作距离以及低泵浦能量的超连续谱产生,本文还实现了CdTe纳米线短耦合距离下的宽谱片上高效混合集成。通过进一步对片上相关光子器件的研究,有望实现CdTe纳米线的片上光源。

关键词： 老化微塑料   溶解性有机质   理化性质   迁移   饱和多孔介质  

摘要： 近年来微塑料（Microplastics,MPs）污染所产生的环境问题愈发严重。自然界中微塑料经历光老化并在过程中产生大量的老化微塑料（Aging microplastics,AMPs）和微塑料衍生溶解性有机质（Dissolved organic matter derived from microplastics,MP-DOM）。在光老化过程中,MPs理化性质不断演变,MP-DOM的成分复杂且动态变化,在饱和多孔介质中表现出不同的迁移行为。揭示老化作用下MPs和MP-DOM共存时在饱和多孔介质中的迁移规律及影响机制对于评价微塑料的环境行为具有重要意义。本文以紫外光为光老化手段,以聚苯乙烯微塑料（Polystyrene Microplastics,PSMPs）为研究对象,分别制备了不同老化程度的AMPs和MP-DOM混合物,首先通过形貌分析、物相结构分析、成分分析和毒理学等方法研究了两者的理化性质及环境风险,然后通过改变不同的实验条件研究其在饱和多孔介质中的迁移行为,结合其理化性质以期揭示其迁移机理。得到的主要结论有: （1）老化作用显著地改变了MPs和MP-DOM的理化特性:老化程度越高,MPs的粒径越小（OMPs～A3MPs:502.7～338.9 nm）,产生了C-H、O-C=O、C=O、C=C等含氧官能团,亲水性不断增强,电负性不断增强（OMPs～A3MPs:-43.0～-54.8 m V）;在老化过程中MP-DOM含量呈现先增加(0～35.2 mg L-1)后减少(35.2～20.6 mg L-1)的趋势,产生了C=O、O-C=O、C-O亲水性含氧官能团,物质构成更丰富,分子式也越复杂,两种不同的类腐殖酸组分占比不同,总类腐殖酸物质含量增加,蛋白质/酚类组分含量则减少。 （2）老化后的MPs与MP-DOM的环境风险更大:OMPs（A11）、老化12 h的AMPs+MP-DOM（A21）、老化24 h的AMPs+MP-DOM（A31）和OMPs滤液（C11）、老化12h的MP-DOM（C21）、老化24 h的MP-DOM（C31）的存活率分别为31.9%、1.6%、7.5%和85.2%、2.4%、10.8%,老化作用能显著加大MPs+MP-DOM和MP-DOM的生物毒性。 （3）老化作用显著地提升MPs的迁移性能,3种老化后的MPs的回收率（81.2%～83.2%）均明显优于OMPs（51.0%）;离子强度在静电排斥与亲水性增强的共同作用下明显地抑制了MPs的迁移;介质粒径对于OMPs和A3MPs在饱和多孔介质中的迁移具有显著影响,粒径越大越容易迁移,粗、中和细砂中OMPs的回收率分别为83.3%、51.0%和0;A3MPs的回收率分别为85.8%、81.2%和3.7%。 （4）老化作用提升了MP-DOM的迁移性能:3种老化程度的MP-DOM的回收率分别为79.8%、97.4%和95.2%,高于OMPs的回收率;不同阳离子类型及离子强度对MP-DOM的迁移没有明显的影响,6组迁移试验的回收率为91.8%-98%;粒径对A3DOM的迁移有较大的影响,与粗砂和中砂不同,细砂中的迁移能力较弱,A3DOM分别从粗、中和细砂中的回收率分别为95.2%、92.8%和55.8%;不同介质的穿透曲线表现出不同的特点,石英闪和石灰石中的回收率分别为95.2%和83.8%。 （5）MPs抑制了MP-DOM的迁移,老化程度越高抑制效果越不明显:OMPs对于A3DOM具有一定的迁移抑制作用,A3MPs对于A3DOM的抑制作用不明显;A3DOM（A3MPs）、A3DOM（OMPs）和A3DOM试验的回收率分别为95.2%、87.2%和92.3%,OMPs的加入使得A3DOM回收率从92.3%降低至87.2%,表明OMPs的存在对A3DOM的迁移有一定的抑制作用。MP-DOM促进了MPs的迁移,老化程度越高促进效果越不明显:A3DOM的加入显著促进了OMP的迁移,最终回收率从15.5%提高到65.0%;p H相同,A3DOM的加入使A3MPs的迁移能力有所提升,说明A3DOM对A3MPs迁移具有一定的促进作用;A3DOM对OMPs迁移的促进作用明显优于A3DOM对于A3MPs的迁移促进作用。

摘要： 昆虫的嗅觉极为灵敏，能够直接为其觅食、求偶、产卵等行为提供“导航”。其中，一种蛋白质——昆虫气味受体发挥着关键作用。近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）王桂荣团队，联合华中农业大学、中国农业科学院植物保护研究所等单位，成功解析了害虫豌豆蚜的气味受体精细结构，揭示了其气味受体发挥作用调控嗅觉的分子机制，为新型昆虫绿色农药的研发奠定了基础。

关键词： 饱和流体   制冷剂   对应态原理   表面张力   热导率   温度  

摘要： 制冷剂有良好的热物理性能和化学稳定性,被广泛应用于冷冻、空调等制冷系统,近年来受到了密切地关注。了解制冷剂的物理性质在制冷剂的工业应用、制冷剂混合物的研究等方面至关重要。表面张力与热导率是影响制冷剂传热效率的两个重要物理性质。建立表面张力与温度、热导率与温度的相关性模型,准确地分析制冷剂的相关性质,意义重大。在表面张力的温度相关性和热导率的温度相关性的研究中,常用的方法有如下几种:对应态原理、参数方程、密度梯度理论方程、人工神经网络模拟等等。本文运用了前两种方法,主要研究内容和结果如下: 1.基于对应态原理,将制冷剂的表面张力与温度进行约化,得到无量纲的约化参量。选择NIST数据库中4种制冷剂作为参考流体,利用它们的表面张力数据,建立了一个新的可用于27种制冷剂的表面张力与温度的对应态模型。该模型形式简洁,只需要3个量作为输入参量,即临界温度TC、三相点温度Ttr以及三相点温度处的表面张力值σtr。与之前的5个对应态模型相比,在27种制冷剂中,该模型给出了 12种制冷剂的平均绝对偏差(average absolute deviation,AAD)的最低值。将模型的预测结果与NIST数据库中的数据进行对比,发现这27种制冷剂的AAD值均小于11%,其中26种制冷剂的AAD小于10%,13种制冷剂的AAD小于2%。 2.搜集了 NIST数据库中28种制冷剂、12种碳氢化合物和10种其他流体的数据,基于先前的经验模型,利用黄金比率,建立了一个新的热导率和温度的四参数模型,并分别计算出了每种流体相应的参数值。该模型将研究的最高温度扩大到0.98TC左右,并在研究的整个温度范围内表现良好。模型能够以较低的误差再现上述三类流体的NIST数据。通过与NIST数据的对比,所研究的50种流体的AAD均小于1%,其中49种流体的AAD小于0.5%。 以上工作丰富了饱和制冷剂表面张力和热导率的温度相关性研究,有重要的理论价值,而且能为实际的工农业生产提供有效的数据支持。

关键词： 遥操作维护   自动化抓取   轴孔装配   强化学习   深度学习   自动化抓取—放置  

摘要： 在中国聚变实验堆(CFETR)运行期间,聚变堆内部组件面临多种极端环境,导致组件受损并需要定期进行维护。聚变堆真空室内的特殊环境要求必须采用遥操作模式进行远程维护。目前国际上正在运行的聚变装置依靠的是人在环路中的遥操作方式,效率低下。因此,在未来的聚变实验堆中,自动化维护策略成为首选。 在日常维护中,遥操作系统负责处理的目标既包含大重量的组件,也包含轻量级零件。其中,轻量级维护任务包括零部件抓取、轴孔装配和零部件转运。虽然对应研究领域都已经得到了广泛而深入的研究,但这些研究基本都在日常环境展开,未考虑聚变堆真空室内部的环境特点。这些特点包括目标特征不明显、观测数据精度有限以及对可靠性要求严苛等。因此,当前主流的基于三维观测数据的方法并不能直接应用于真空室内自主遥操作任务,必须加以改进。对此,本文开展了以下几点研究。 (1)在机器人抓取研究中,由于真空室内部零件由光滑金属材质制成,深度相机在观测反光镜面物体时精度明显下降,导致了目前主流基于深度学习的端到端算法的表现不佳。为应,本文将结合深度学习和传统算法相结合。首先,利用深度学习对三维数据进行初步分割,接着通过聚类、几何特征提取等传统计算机视觉算法优化分割结果,从而避免了观测数据中不确定性的传播。该方法有效克服了三维传感器数据在此环境下的系统性误差难题,实现了聚变堆环境下高可靠性的机械臂抓取操作; (2)高精度轴孔装配任务紧随抓取任务后展开,其存在诸如爪夹与零件之间的非刚性连接、相对位置的随机性、机械臂的可重复精度无法满足装配精度要求等困难。此外,装配位置遍布真空室内壁,现有方法无法胜任。因此,本研究创新性地提出一种利用单目相机与力传感器数据融合的无监督强化学习算法,训练机械臂以类似人类手眼协同的方式执行装配任务,使得该算法对装配环境及轴孔间的初始位置不敏感,具有良好的通用性。同时,本研究在控制算法层面提出了一个三层缓冲结构(Three-layer Cushioning Structure,TCS),避免了机械臂在探索过程中发生暴力接触和碰撞,很好的完成了聚变堆环境下的高精度轴孔装配任务; (3)在自动化取放研究中,同样,深度相机在真空室环境下无法提供可靠的三维观测数据,而当前主流算法主要依赖于三维数据。因此,本研究采用单目相机作为唯一的外部传感器,利用其在聚变堆内部正常工作的特性,并结合强化学习对时序差分优化的特点,提出一种基于单目相机的深度强化学习算法以解决自动化取放问题。本研究创新地利用二维图像与强化学习相结合的方法恢复三维空间信息,并通过构建具有多个子环境的虚拟训练环境以规避强化学习在训练过程中所面临的潜在风险和耗时过长等问题,从而成功地完成了聚变堆环境中零件自动化取放的研究。 本研究从遥操作维护的实际需求出发,结合真空室内环境的特点,对轻量级遥操作自动化维护任务展开研究。通过对现有方法的改进和创新,很好的完成了相关研究任务。并且本研究可以为聚变堆环境下其他更加复杂的自主维护任务的研究提供一定思路。

关键词： 大麦   X射线计算机断层扫描   深度学习   三维重建   穗部性状  

摘要： 大麦（Hordeum vulgare L.）是重要的谷类作物之一,其种植面积和总产量均仅次于玉米、水稻和小麦而居全球第四位,兼具食用、饲用和工业酿造用价值。提高大麦的产量和品质对保障全球粮食安全、推动社会经济发展具有重要意义。穗是谷类作物籽粒发育和种子形成的承载器官,也是主要的收获器官。穗长、穗粒数等穗部形态结构的遗传改良是提升大麦产量和品质的前提和基础。传统的大麦穗部表型性状调查主要通过人工采用游标卡尺等计量工具来进行测量,存在着低效、耗时、破坏性强等缺点。随着计算机断层扫描、图形视觉以及深度学习等技术的迅猛发展,高通量的作物表型分析技术逐渐发展成熟,多个高效、精准的高通量谷类作物穗部表型分析相关软件和模型被开发出来。但目前,有关高通量的大麦穗部表型分析工具的研究还比较少。鉴于此,本研究结合X射线计算机断层扫描（X-ray CT）和深度学习模型（UNet）重构了大麦穗三维结构,分割了麦穗和籽粒,并使用三维点云方法测量了穗粒数、粒长等多个表型性状,开发了大麦穗部表型分析模型,为大麦穗部表型的高通量精准鉴定提供有效工具,为更好地剖析大麦穗形态结构的遗传基础提供工具支撑。取得的主要结果如下: （1）利用Skyscan 2214三维X射线断层扫描系统对13个不同大麦种质的穗部进行扫描,共获得了13,074张断层扫描图像,通过图像预处理和批量堆叠,重构了大麦穗的三维立体模型;进一步,采用UNet深度学习模型对麦穗进行识别和学习,建立了大麦籽粒识别模型,准确度达98.93%;基于阈值法和分水岭算法,明确了大麦籽粒分割特征。 （2）基于重构的穗立体模型和籽粒分割数据,采用三维点云聚类的方法对大麦籽粒进行标记和提取,获得大麦穗长、穗粒数、各个籽粒的长度、宽度、厚度、表面积和体积等表型参数;结合实际测量值进行相关性分析,结果表明,模型测量的穗长和每穗籽粒数与人工测量值的相关系数分别为0.989和0.975,籽粒体积和表面积与人工测量的穗重性状显著相关（r2=0.977和r2=0.910）,开发了高通量的大麦穗表型分析模型。 （3）利用开发的模型对11个不同类型大麦种质的X射线断层扫描图像进行了分析,高通量提取其穗部表型性状并进行比较,结果发现栽培大麦的籽粒长度比野生大麦短,但籽粒更宽,体积和表面积更大,每穗粒数也增多,从野生大麦到栽培大麦的驯化过程中,籽粒的长宽比显著减低;将籽粒表型性状与籽粒在穗位置进行关联分析发现,体积大的籽粒集中分布在麦穗的中下部区域。 本研究基于X射线计算机断层扫描（X-ray CT）和深度学习模型（UNet）开发了大麦穗部性状的高通量检测和分析模型,为大麦穗表型精准鉴定提供了有力工具,将有助于大麦穗部性状的遗传基础解析和遗传改良。

关键词： 光声成像   X射线   骨质疏松   热弹性位移上升时间   骨弹性  

摘要： 骨质疏松症作为一种全身性骨病,易对人体造成多种伤害,是对人类伤害最大的代谢性骨疾病之一。因此,对骨质疏松症做到更全面的表征对临床治疗具有重大意义。但目前临床应用检测骨密度的方法,例如双能X线吸收法,定量CT等通常只能提供骨骼的形态学信息,对力学参数的检测非常有限。因此,需要找到一种能够对骨力学参数进行表征的诊断方法。 X射线光声成像技术以X射线作为激励源,进行光声成像。在组织吸收光子后,通过热膨胀产生光声波,光声波携带着生物组织的力学信息,这就使X射线光声成像成为检测生物组织力学参数的重要手段。这种技术具有X射线的波长短和穿透性好的优点,同时也有光声成像的高对比度和高分辨率的优点。光声信号本身即为组织热弹性形变产生的超声波,即超声波的产生与组织的弹性特性相关,光声信号携带的组织弹性信息对于评估骨的质量状态是非常重要的力学参数。可以通过X射线光声成像技术对患有骨质疏松的骨头进行分析,得到骨的结构信息和弹性特性。 基于目前骨质疏松检测领域中各种检测方式的优势和不足,本文构建了一种X射线光声成像检测手段,它结合了X射线激发和声学检测,利用热弹性位移上升时间来得到骨骼的弹性,用弹性这一参数来表征生物组织的力学特性。本研究通过建立模拟样本,通过对骨骼CT图片的重建,生成正常骨和骨质疏松骨的X射线吸收图像。根据弹性模量和最大上升时间的负相关关系,测量受激发骨骼的弹性变化来进行生物力学信息的表征。使用X射线可以有更好的穿透性,更加准确的运用到骨头的检测当中。通过X射线光声成像对比骨质疏松症骨和正常骨的弹性差异,并验证该方法的可行性,使用计算机进行模拟实验,证明这是一种对检测骨质疏松非常实用和有效的手段。本文主要工作包括: 1、提出了一种基于热弹性位移上升时间的X射线光声成像技术用于检测骨质疏松,从理论上解释了位移上升时间与骨弹性之间的负相关关系,并最终得到了骨质疏松和骨弹性之间的关系。 2、搭建了一套X射线光声成像系统,并利用计算机进行模拟实验,验证了该技术的成像能力。对仿真模拟所需要的程序和方法进行深入了解。 3、利用计算机模拟,分别对人体正常和骨质疏松的脊柱骨的X光片进行重建,得到X射线光声图像,同时对传感器数据进行分析,验证了该系统的探测能力。最后通过统计学实验,消除误差,说明了该技术的准确性。表明基于热弹性位移上升时间的X射线光声成像技术在骨质疏松检测领域上极具应用潜力。

关键词： 同步辐射   软X射线成像   液-液界面   微流体芯片   控制界面   浓度分布   扩散系数   液-液相分离  

摘要： 液-液界面广泛存在于日常生产生活中,在生物、化学及化工等多个领域至关重要,因为它往往是反应的场所,控制反应过程,决定反应速率。尤其是液-液界面上的传质和扩散过程,它们严重影响界面相互作用的速率和效率。近年来,基于液-液界面的应用得到显著发展,但液-液界面的组成和结构以及动态行为如何影响界面现象,仍然是多个领域长期以来面临的挑战。由于界面的尺寸相对较小,通常在纳米到微米级别,很难直接观察到结构,同时,液-液界面的动态行为非常复杂,涉及微观扩散、传质和相互作用过程,难以完全捕捉和理解。所以,对于界面动态过程的实时测量和定量分析而言,这仍然是一个很大的考验。 软X射线显微成像技术是一种具有高分辨率的无损检测技术,可以给出样品纳米分辨的结构和元素分布信息。在“水窗”波段,水和有机物对软X射线吸收存在巨大差异,无需标记即可对由水相和有机相构成的液-液界面直接成像,是表征水和有机相体系的绝佳工具。因此本论文利用合肥光源软X射线成像,通过在微流体系统中设计了控制液-液界面稳定的方法,并在BL07W线站完成了软X射线原位观测液-液界面系统的搭建,发展了一种研究液-液界面的结构及相关现象的新方法。随后,利用搭建的系统进行实验,深入研究了液-液界面结构,并发展了相关的数据处理方法。最后,基于发展的方法探究了发生液-液相分离体系中液滴的动力学变化。论文的主要内容包括以下4个部分: 1.在合肥光源软X射线成像线站,发展了液-液界面的表征方法。首先设计了基于开放式和封闭式系统的微流控芯片,用以控制及稳定液-液界面。通过理论方法和有限元仿真,探讨了这两种系统的可行性。在芯片制作后进行相关实验,最终在两种体系均获得了稳定的液-液界面。此外,还设计了离线真空系统,为后续在高真空环境下进行液-液界面成像提供了保障。 2.为了将可控及稳定液-液界面的芯片应用于合肥光源软X射线成像线站,进行了原位观测系统的总体设计。设计主要涵盖了原位液体芯片和原位流动样品架,包括芯片的微结构材料与密封方式选择,工艺流程优化,以及用于连接芯片和管道样品架外设的设计。最终,这些设计集成于软X射线成像系统中,实现了液-液界面原位观测系统的搭建。 3.在上述液-液界面原位观测系统搭建完成的基础上,实现了对稳态过程与动态过程时的部分混溶体系(水-烷醇)界面结构与浓度分布的纳米级分辨率观测,并发展了相关数据处理方法。通过进一步计算,得到不同状态下物质的扩散系数及随浓度变化的情况。同时,还发现了界面上的吸附现象,凸显了液-液界面原位观测系统的强大功能,不仅能直接表征界面的结构,还可以表征物质在界面上的吸附。 4.基于搭建的软X射线液-液界面原位观测系统和对液-液界面的结构研究,进一步探究了液-液界面产生的扩散场对发生液-液相分离液滴的粗化影响。结果发现在扩散场影响范围内的相分离域特征尺寸以t速率增长,在影响范围外的区域仍以t1/3速率增长。这表明扩散场的存在显著加速了液滴的粗化。同时,探究了电解质对液滴成核位点以及数量的影响以及液滴碰撞聚结的模式机制。