昆虫害虫的3D X射线荧光成像及其在虚拟现实环境中的分析

《Canadian Journal of Chemistry》：3D X-ray fluorescence imaging of insect pests and analysis in a virtual reality environment

X射线荧光成像（XFI）结合三维重建和虚拟现实技术，实现了对切叶虫和叶蝉幼虫的三维元素分布分析，为农林业害虫管理提供新方法。

　　这项研究展示了一种创新的方法，通过将X射线荧光成像（XFI）与组织学切片相结合，并利用定制的软件工具，实现了对害虫样本的三维元素组成分析。XFI技术是一种高灵敏度的手段，能够以二维空间分辨率获取样本的元素组成。然而，传统上，XFI只能提供二维数据，这意味着三维样本的元素信息会被压缩在二维图像中。本研究通过将多个二维切片进行重建，成功地克服了这一限制，从而能够获取更全面的三维元素分布数据。这一进展不仅提升了XFI技术的应用价值，还为后续的生物化学研究和害虫管理技术开发提供了新的视角。

昆虫在全球生态系统、经济产出以及人类营养和热量需求方面具有重要意义。2022年，加拿大的农业部门雇佣了230万人，创造了约1430亿美元的经济价值，占加拿大国内生产总值的7%。其中，有益昆虫如传粉者对作物产量有显著贡献，而捕食性昆虫则有助于维持农业生态系统的平衡，防止害虫暴发。据估计，35%的潜在收获作物产量因食叶性昆虫害虫和病原体而损失。此外，昆虫也被研究和利用以满足人类的营养和热量需求。因此，开发更先进的方法来理解昆虫的物理化学特性具有重要的科学和实际意义。

XFI技术利用同步辐射加速器中的高能X射线，这些X射线的能量接近光速。在实验中，X射线被以高空间分辨率扫描过样本，通过检测二次X射线谱来获取元素信息。与其他X射线荧光技术（如电子显微镜下的XRF）相比，XFI能够同时捕捉样本的空间信息和光谱信息。这种能力使得研究人员能够更准确地识别样本中元素的丰度及其分布位置，从而揭示昆虫的生物化学特性。XFI技术的优势在于其高灵敏度和空间分辨率，以及能够清晰地辨别样本边缘或界面的能力，这比三维计算机断层扫描（CT）或K边对比成像更具优势。

然而，XFI技术的二维特性仍然是其应用中的一个局限。为了解决这个问题，研究人员开发了一套方法，将二维切片数据进行重建，从而实现三维空间解析。该方法不同于传统的XFI技术，因为它需要处理大量的连续图像，并进行对齐和输出。研究团队利用Python编写的PyXFI3D软件，将XFI数据的校准和光谱拟合结果自动化，并将所有元素信息整合成TIFF格式的三维堆栈。随后，这些数据在Fiji软件中进行对齐处理，最终生成三维重建图像。通过这种方式，整个样本的扫描数据可以在不到一分钟的时间内完成处理。

三维重建的XFI数据为分析昆虫样本提供了更丰富的空间信息。例如，钾元素在样本中的分布虽然看似广泛，但实际上在昆虫的不同部位存在明显的聚集现象。铜、铁和锰等元素也显示出特定的组织分布，这为理解昆虫的生理机制提供了重要线索。研究人员通过分析这些元素的分布，发现钾主要集中在某些消化系统结构中，而铜和铁则可能与昆虫的代谢活动或防御机制有关。此外，锰在昆虫体内的分布呈现出分散的点状特征，这种模式可能与特定的组织功能或元素储存机制相关。

为了进一步提升分析效率，研究团队还开发了虚拟现实（VR）软件syGlass，用于加载和处理三维重建的XFI数据。在VR环境中，研究人员可以更直观地观察样本的三维结构，并通过标记感兴趣区域（ROIs）来提取元素信号的信息。这种方法不仅提高了数据处理的准确性，还大幅缩短了分析时间。例如，通过VR环境，研究人员可以快速识别样本中特定元素的分布，并进行半定量或定量分析。这种技术的应用为昆虫研究提供了新的工具，使科学家能够更高效地获取和解读元素分布数据。

此外，研究团队还强调了XFI技术在虚拟现实环境中的潜力。传统的二维图像缺乏对样本结构的完整理解，而三维重建则能够提供更全面的空间信息。通过VR技术，研究人员可以更灵活地操控数据，例如旋转样本以观察不同角度的元素分布情况。这种能力对于研究昆虫的内部结构、元素储存机制以及其在生态系统中的作用具有重要意义。同时，VR环境还支持进一步的数据处理，例如通过标记ROI来提取特定区域的元素信号强度，从而进行更精确的分析。

虽然当前的研究主要是展示XFI技术在昆虫样本中的应用，但其方法具有广泛的适用性。通过调整样本的切片厚度、空间分辨率和入射光束角度，可以减少自吸收和分辨率损失的问题，从而提高数据的准确性和可靠性。此外，该方法还可以与其他分析技术相结合，例如电子显微镜下的能谱分析或激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），以获得更全面的元素信息。这些技术虽然各有优缺点，但它们的结合可以为昆虫研究提供更深入的洞察。

研究团队还提到，尽管XFI技术能够提供半定量信息，但通过适当的样品准备和校准，也可以获得定量数据。例如，在扫描过程中，可以使用已知元素浓度的标准样品作为对照，以提高测量的准确性。然而，样品处理过程中的各种步骤，如固定、脱水、石蜡包埋等，可能会影响元素的分布和保留情况。这些处理步骤涉及多种溶剂，可能导致元素的迁移或损失。因此，在分析昆虫样本时，必须考虑到这些因素对元素组成的影响。

总体而言，这项研究不仅展示了XFI技术在昆虫元素分析中的应用潜力，还提出了一种创新的三维重建方法，使研究人员能够更全面地理解昆虫的内部结构和元素分布。通过结合虚拟现实技术，这种方法还为数据的可视化和分析提供了新的途径。未来，随着XFI技术的进一步发展和普及，这种三维分析方法有望成为昆虫研究和害虫管理技术开发的重要工具。此外，该方法也为其他生物样本的三维元素分析提供了借鉴，可能在医学、材料科学和环境科学等领域发挥重要作用。