Research

 

Element distribution imaging in rat kidney using a 2D rapid scan EDXRF device

 

R.G. Figueroa^a, E. Lozano^b, and G. Bongiovanni^c

 

^a Deparatmento de Ciencias Físicas, Universidad of La Frontera Av. Francisco Salazar 01145, C.P. 4811230, Temuco, Chile.

^b Instituto Nacional del Cáncer, Unidad de Física Médica, Av. Profesor Zanartu 1010, Santiago, Chile.

^c IDEPA-CONICET, Instituto Multidisciplinario de Investigación y Desarrollo de la Patagonia Norte, Buenos Aires 1400, C.P. 8300, Neuquén, Argentina. Universidad Nacional del Comahue, Neuquén, Argentina, e-mail: figueror@ufro.cl.

 

Received 26 July 2012
Accepted 19 February 2013

 

Abstract

Visualization of elemental distributions of biological tissue is gaining importance in many disciplines of biological, forensic, and medical research. Furthermore, the maps of elements have wide application in archeology for the understanding of the pigments, modes of preservation and environmental context. Since major advances in relation to collimators and detectors have yielded micro scale images, the chemical mapping via synchrotron scanning micro-X-ray fluorescence spectrometry (SR-µXRF) is widely used as microanalytical techniques. However, the acquisition time is a limitation of current SR-µXRF imaging protocols, doing tedious micro analysis of samples of more than 1 cm and very difficult to study of larger samples such as animal organ, whole organisms, work of art, etc.

Recently we have developed a robotic system to image the chemistry of large specimens rapidly at concentration levels of parts per million. Multiple images of distribution of elements can be obtained on surfaces of 100x100 mm and a spatial resolution of up to 0.2 mm² per pixel, with a spectral capture time up to 1 ms per point. This system has proven to be highly efficient for the XRF mapping of elements in large biological samples, achieving comparables results to those obtained by SR-µXRF. Thus, images of As and Cu accumulation in renal cortex of arsenic-exposed rats were obtained by both methodologies. However, the new imaging system enables the XRF scanning in few minutes, whereas SR-µXRF required several hours. These and other advantages as well as the potential applications of this system, will be discussed.

Keywords: XRF-Imaging; biological samples; multi-elemental mapping.

 

Resumen

La visualización de distribuciones elementales espaciales de tejido biológico está adquiriendo importancia en muchas disciplinas de la investigación biológica, forense y médica. Por otro lado, los mapas de elementos tienen una aplicación amplia en la arqueológica para el entendimiento de los pigmentos, modos de conservación y el contexto del medio ambiente. Dado que los principales avances con relación a colimadores y detectores han dado imágenes de micro escala, la cartografía química a través de análisis de espectrometría de microfluorescencia de rayos X (SR-µRF) mediante radiación sincrotrón es ampliamente utilizada como técnica de microanálisis. Sin embargo, el tiempo de adquisición es una limitación común en el protocolo de imagen SR-µRF, haciendo tedioso el análisis micro de las muestras de más de 1 cm y es muy difícil el estudio de muestras más grandes, como órganos de un animal, organismos completos, obras de arte, etc. Recientemente hemos desarrollado un dispositivo robótico de bajo costo para una obtención rápida de una imagen química en muestras de gran tamaño con niveles de concentración de partes por million. Las imágenes múltiples de distribución de los elementos pueden obtenerse en superficies de hasta 100 mm por 100 mm y con una resolución espacial de hasta 0,2 mm, con un tiempo de captura espectral de hasta 1 ms por punto. Este sistema ha demostrado ser altamente eficaz para el mapeo FRX de elementos en muestras biológicas de gran tamano, los resultados son comparables a los obtenidos por SR-µRF. De este modo, fueron obtenidas imágenes de acumulación de As y Cu en la corteza renal de ratas expuestas a arsánico por ambas metodologías. El nuevo sistema de imágenes XRF permite el escaneo en pocos minutos, mientras que SR-µRF requiere más de una hora. Se discuten estas y otras ventajas, así como las aplicaciones potenciales de este sistema.

Descriptores: Imágenes EDXRF; muestras biológicas; mapeo multi elemental.

 

PACS: 78.70.En; 87.59.-e; 87.57.-s; 87.85.Pq; 07.85.Fv; 82.80.Ej

 

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Acknowledgements

Thanks to the National Fund for Scientific and Technological Research (FONDECYT) of Chile, which has funded this development through grant 1080306 and Morphology Unit, Department of Basic Sciences, University of La Frontera for providing bone samples used in this work. The work was supported in part by the National Fund for Scientific and Technological Research (FONCYT) PICT97-PRH33 and CONICET of Argentina.

 

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