应用LIBS元素分析成像技术对蛇畸形性骨炎的研究

大量元素和微量元素的分布成像数据，可为人类和动物健康、病毒和病理、古生物学研究提供非常关键的信息。但是传统分析方法例如ICP-MS等，局限于只能得到样品整体的总元素信息，而非成像分布。

LIBS技术则突破了这一局限，能够对样品表面元素进行定性定量的高分辨率甚至微分辨率成像研究; 并且能够对包括轻元素在内的全元素同时进行快速、实时分析，无须预处理、实验成本低，从而“掀起了化学分析方法的革命”。

蛇畸形性骨炎的病因尚无定论，但很多学者认为有可能由于骨质代谢异常，但大可能是：多瘤病毒感染--病毒的宿主是某种啮齿类动物，蛇被它攻击时受到感染而发病。

在本文研究中，Lightigo团队应用LIBS技术，分别对健康和病变的近代蛇脊椎骨及蛇脊椎骨化石进行元素分布成像分析，判断近代蛇和蛇化石中畸形性骨炎的进展阶段，进行相应的病毒病理学分析，试图找到真正的病因，进而将研究结果应用于骨学和人类学的各个分支领域---这是由骨学角度研究当代样品难以完成的任务。而此前，对于该病的病程和病理鲜见记录。

研究介绍：

1. 样品总体含量分析：

   为了锁定患病蛇脊椎骨和健康蛇脊椎骨的差异元素，首先用ICP-MS对健康现代蛇骨、患病现代蛇骨、健康蛇骨化石、患病蛇骨化石4组消解样品进行总体元素含量分析。发现：

• 无论是现代蛇骨还是化石蛇骨，健康与患病样品中的Na元素都差异显著，可以确定Na元素能够作为病情进展的指标。
• 化石蛇骨的健康样品和患病样品的结果对比中，Al、Fe、Si元素含量差异显著：骨骼中微量元素的含量差异很可能是不同疾病的重要指标，但对于化石样品，它们的出现的原因是否有可能是微量元素由于成岩浸渗作用而被置换？
• Ca和P元素在各个样品中的总含量都无明显差异，那么其局部含量是否存在差异？

  为了确认或者排除这些可能性，需要用LIBS技术做元素分布成像进一步检验。

  2. LIBS 元素分布成像分析：

2.1 化石样品组：LIBS元素分布成像结果可以非常明显的看到，微量元素Al、Fe、Si 局限于脊椎骨的空隙、特别是中央孔洞位置，并未参与病变骨骼组织构成。因此该差异原因很可能是：化石样品被掩埋时环境很不稳定，Fe^-、Al^- 饱和溶液进入脊椎骨孔隙而发生成岩浸渗作用所致------病变骨骼具有更多孔隙，而与病理并无关联。近代病变的多孔骨组织中，Fe、Al元素含量很低，同样与资料可查的环境变化相一致。

以下图Al元素分布成像为例 (黑色横条长度为1mm)

健康样品和病变样品中，都可见Ca和P含量较高并且接近，主要分布在中心和神经弓位置附近；Ca/P较现代组略低，原因或许是样品处于不同的生命状态。而病变骨样品中，Ca、P元素分布集中、同时浓度升高；发病早期P浓度下降比Ca慢，Ca/P值降低可作为病程判断的依据。

下图为化石样品组：健康蛇脊椎骨切面(a)和骨炎蛇脊椎骨切面(b)的Ca和P元素分布成像图。（黑色横条长度为1mm）

  2.2现代样品组：Ca和P分布成像与化石组相似。但个别位置Ca/P异常增高，结合以往研究，可以认为是分解的病变骨组织中的Ca元素迁移至其它健康和病变骨组织，指示着病情进一步发展。

下图为现代样品组：健康蛇脊椎骨切面(a)和骨炎蛇脊椎骨切面(b)的Ca和P元素分布成像图。（黑色横条长度为1mm）

通过LIBS技术对蛇骨横切面元素分布的研究，可以得到元素分布变化与蛇畸形性骨炎病程发展的对应关系，从而用于确定化石中的蛇骨是否染病、以及处于病程的哪一阶段。突破了样品整体元素分析的传统方法的研究局限。

案例文献：Michaela Vasinova Galiova, Jozef Kaiser, Karel Novotný, et al.,Investigation of the osteitis deformans phases in snake vertebrae by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy,[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry 398(2):1095-1107

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关于Lightigo：

Lightigo核心成员均为尔诺科技大学激光光谱与化学分析实验室的科研人员，该实验室具有20余年的LIBS经验。Lightigo是CEITEC创办的公司，他们同时也是欧洲工程技术中心（CEITEC）的科研人员。

Lightigo的研发使命是：“构建生命科学和Libs技术之间的桥梁；研发先进的仪器；提供专业的元素分析服务。”自1999年至今已有大量文献发表。

他们是在LIBS技术前沿探索的科学家，同时对生物领域，包括医学和动物学领域元素分析具有着丰富的研究经验，因此能够为您提供超越“优佳工程师”的服务。同时，做为Lightigo的拥有者、产品的研发者、在布尔诺科技大学、CEITEC的长期任职者，他们会稳稳的承担着产品背后的长久支持。

2019年9月，世界LIBS大会在捷克布尔诺市召开。Lightigo所依托的布尔诺科技大学和CEITEC作为LIBS领域非常有影响力的机构之一，成为会议的主办方。Lightigo的CEO Jozef Kaiser教授任会议主席。