X射线🩻荧光 (XRF) 是结构生物学中一项重要的分析技术，有助于识别和定量分析生物样本中的元素。XRF 的优势在于其非破坏性，使其在地质学、考古学、环境科学和生物学等众多领域都具有广泛的应用。在结构生物学中，XRF 尤其适用于揭示元素的组成和分布，从而为深入了解细胞和分子结构提供关键依据。XRF 在检测和定量痕量金属及其他元素方面的精准度，对于研究生物分子、金属蛋白和矿化组织至关重要。
X射线🩻荧光的原理
XRF 的原理在于高能 X 射线与样品中原子的相互作用。当样品受到初级 X 射线轰击时，内壳层电子被取代，从而产生电子空位，激发原子。随后，外层电子填补这些空位，发射出次级 X 射线或荧光 X 射线。每种元素都会以特征能级发射 X 射线，从而形成该元素独有的光谱指纹。这种现象使 XRF 能够根据元素的特定能量发射对其进行检测和定量分析。
图 1：玻尔原子模型，展示了 X 射线荧光的基本原理。（a）X 射线激发导致核壳层电子从原子中逸出。（b）产生的空位由更高壳层的电子填充，这一过程导致发射一个光子，其能量等于参与跃迁的两个壳层的结合能之差。
在实际应用中，XRF 仪器由三个主要部件组成：X 射线源、样品支架和探测器。X 射线源（通常是 X 射线管或放射源）发射出针对样品的初级 X 射线。然后，探测器测量从样品发射出的次级 X 射线。硅漂移探测器 (SDD) 等先进探测器增强了这一过程。它们提供高分辨率探测，尤其适用于分析复杂样品。收集到的数据会生成 XRF 光谱。该光谱根据峰的能量和强度揭示样品中存在的元素及其浓度。
图2：X射线🩻荧光显微镜🔬组件示意图。晶体单色器用于选择入射X射线🩻束的能量，该光束通过菲涅尔区板聚焦在样品上。发射的X射线🩻由能量色散探测器收集，从而实现同时进行多元素分析。对样品区域进行光栅扫描，即可得到定量元素图谱，如计算机显示器所示。透射探测器的作用是帮助样品在扫描台上定位。
XRF光谱的解释
解读 XRF 光谱需要分析不同元素对应的能量峰及其强度。每种元素在特定能量水平下都有独特的峰值，因此可以同时识别和定量样品中的多种元素。峰高或强度反映了元素的丰度，从而可以进行定量分析。
图 3：典型的波长色散 XRF 光谱。
在生物样本中，钙、钾、铁和锌等元素因其在结构和代谢功能中的作用而备受关注。然而，由于有机基质的复杂性以及类似能量发射的潜在干扰，在生物环境中解读XRF光谱面临着独特的挑战。为了克服这些问题，人们使用先进的分析软件和校准标准来提高准确性和可靠性。此外，诸如微XRF之类的技术可以将X射线🩻束聚焦于样本的特定区域，从而提供元素的详细空间映射，有助于深入了解细胞或组织内必需金属的分布。
XRF在结构生物学中的应用
1）生物分子和细胞中的元素映射
生物分子元素分析是XRF的重要应用，尤其是金属蛋白，它们由金属及其活性辅因子组成。通过绘制这些蛋白质的元素组成图谱，研究人员可以了解这些分子内部的结构-功能关系。例如，通过分析血红蛋白中的铁或细胞色素c氧化酶中的铜，可以了解它们在氧气运输和细胞呼吸中的作用。微量XRF也有助于探测细胞中的微量元素，例如酶中的锌和代谢中的铁。
2）矿化组织分析
结构生物学中经常研究的是含有矿化物质的组织，例如骨骼和牙齿，它们由钙、磷和其他微量元素构成。这些组织可以通过XRF进行无损分析，从而获得元素含量的定量信息。通过检测元素比例的变化，研究人员可以确定骨密度、评估骨质疏松症，并评估矿物质缺乏对骨骼的影响。利用XRF绘制元素细节图是研究骨骼扩张、矿化以及衰老或疾病对骨组织影响的基础。
3）基于同步加速器的 XRF 高分辨率研究
同步加速器设备通过高度聚焦的X射线🩻束提供强大的XRF技术，从而能够对生物样品进行超高分辨率元素映射。基于同步加速器的XRF在结构生物学中发挥着关键作用，有助于深入了解微量元素及其在蛋白质复合物、细胞和组织中的分布。这种高分辨率成像使研究人员能够研究纳米级结构，这对于理解蛋白质和细胞成分中复杂的分子相互作用至关重要。
总结
总而言之，X射线🩻荧光 (XRF) 提供了一种非破坏性、高精度的方法来识别和定量生物样本中的元素，彻底改变了结构生物学中的元素分析。其应用范围广泛，从绘制生物分子中的元素组成图谱到分析细胞和组织中的痕量金属，使其成为生物研究和工业应用中的宝贵工具。
