显微CT在农林科学中的应用

显微CT不需要样品制备、染色、不需要切薄片,最高空间分辨率可以达到次微米及纳米级别,具有高分辨、无损、透视、三维成像的功能,能够对形成的三维立体图像沿任意旋转观察,并可以做任意位置和方向的虚拟断层切片展示,进行相应统计分析,与传统二维组织切片相比,无论是数据还是图像处理,显微CT拥有许多不可替代的优势,这对于化石等珍贵样品及木材等切片困难的样品优势尤其明显,适用于古生物学、土壤学、植物学、动物学、材料学、岩土工程等各类领域。

显微CT结合强大的图像处理软件,可以观察任意角度的断层图像和三维图像,定义任意数量和三维形状研究区域,分割或合并多个三维图像,定量计算样品内部选定区域的体积、面积、孔隙率、连接性、结构模型、各向异性等,还可以分析组成、强度及完整性等参数。

显微CT产品展示图

主要用途:

系统可快速、无损地获得生物内部组织结构的高分辨率几何形态数据,实现生物内部组织结构的数字化和可视化,用于建模展示、教学、鉴定、考证,仿生、植物检疫、病理、育种植株疾病机制研究(疾病状态对生物发育、修复的影响)、种质研究(胚芽和胚乳区域的瑕疵率等)、麦穗研究、植物茎流、果实结构、新药开发(疗效评价)、骨研究(如动物骨小梁)、动物牙齿及牙周组织研究、昆虫研究、生物材料(如仿生材料及3D打印)等及其它研究,可望为农业科学研究开创新的方法、发现新的研究领域。

目前,该系统最受关注的典型的应用领域可分为以下几种:

(1)用于研究土壤特性

土壤特性是影响土壤水分和溶质运移的重要因素,深入了解土壤特性对更好利用土壤资源意义重大。CT技术具有操作简单、获取实验数据精确等优点,近年来逐步应用到土壤结构特性、水利特性及其定量表征研究中,为改善土壤质量、提高农业生产等提供了科学依据。

(2)用于植物根系的研究

植物根系的分枝结构是植物生命力的决定因素,根系的生长形态与植物的土壤环境和植物的基因型息息相关,因此根系的3D形态学分析是评估不同植物竞争优势的重要工具。由于植物的根生长在各种不透明的媒介中,这成为限制观察植物根系在土壤中的生长情况的主要因素,传统的洗根扫描法能够清晰地展现根系,但却破坏了其原有的状态;微根窗法能够解决原位测量的问题,但却无法展示探索土壤内部的根系分布。随着高分辨率CT的发展和应用,利用高分辨率CT扫描可以无损地原位探索土壤中不同植物的根系变化,可以测量根系的3D结构,获取根系的形态学以及剖面等内部性状,是根系原位研究的重要工具。

土壤3D成像(左)及内部根系提取(中)

(3)用于木材结构的研究

常规研究木材结构一般采用光学显微镜观察木材切片的方法,需要对木材进行切片处理,但该方法样品制备困难,且制样会对样品产生损伤,经常得不到满意结果。通过光学显微镜观察连续切片费时费劲,另外垂直剖面的分辨率很差,而显微CT具有无损检测特点,在木材检测领域显示了其独特的优越性,显微CT不仅可以提供二维信息,还可以提供三维可视化结构,并进行定量分析,三维重构后所有三轴方向上具有一致的分辨率,适用于研究木材密度、导热率、渗透率及声学性能等,有利于树木生物学过程研究和木材加工研究。

木材生物学研究

(4)用于种质研究

目前国际上使用的很多研究种子的先进技术大多是利用荧光法研究种子活力或其萌发率,这些方法能够高通量地达到某些研究目的,但始终无法得知种皮内部的结构和动态变化过程。而种子内部的形态学信息参数,以及胚芽和胚乳区域的瑕疵率等,是评估种子的出芽率和质量的关键信息。传统方法常采用内窥镜来分析种子内部的形态,然而这种方法只能获得有限的投影,受种子放置方位的影响,很多缺陷无法体现。而Micro-CT通过投影重建、三维成像功能,可提供种子的不同角度的观察,对于种子内部结构展现更加全面,例如裂隙、内部萌芽情况评估、病虫害情况等等。在图像中可清晰观察到种皮,胚乳、胚牙等内部结构,并可给出这些组织的体积分析结果。

用于对果实的研究,使用高分辨工业CT对果实进行无损扫描,观察果实的内部结构并进行定量分析,在营养学及蛀虫病检测方面有极大的帮助。应用的领域包括香蕉、水稻、玉米、葡萄、柑橘、龙眼、荔枝等等。

种质及果实研究

(5)用于昆虫仿生学、古生物化石的建模及研究。

(6)工业领域应用

高分辨工业CT在机械零部件等先进制造及先进材料的研究中也是极为重要的检测及研究手段,主要用于零部件的制造工艺及材料性能改进的研究。

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