Химические методы визуализации, основанные на сочетании микроскопии и спектроскопии, предназначены для анализа состава и пространственного распределения гетерогенных химических комплексов в образце.
За последние несколько десятилетий он стал все более популярным инструментом для характеристики микроэлементов, изотопной информации и органических биомаркеров (молекулярных биосигнатур), обнаруженных в окаменелостях.
Здесь мы представляем аналитический принцип каждого метода и интерпретацию химических сигналов, а затем даем обзор основных применений этих методов в палеонтологии. Мы также демонстрируем, что каждый метод связан с плюсами и минусами, и существующие ограничения и препятствия, связанные с использованием каждого конкретного метода, должны быть приняты во внимание до его применения к ископаемым образцам.
Наконец, мы предлагаем, что в связи с быстрым развитием имеющихся технологий и общими тенденциями в направлении более междисциплинарных исследований в палеонтологии можно ожидать, что в ближайшем будущем химические методы визуализации получат более широкое применение в палеонтологии.
Методы химической визуализации сочетают пространственные и химические характеристики с изображениями для обеспечения пространственно разрешенной регистрации элементарной и молекулярной информации. В то время как обычная гиперспектральная визуализация обеспечивает только пространственно разрешенные физические и морфологические характеристики.
Химическая визуализация создает визуальный образ со встроенным набором морфологической, структурной и химической информации о составе, даже фиксируя динамику некоторых сложных химических процессов с временной зависимостью пространственной характеристики в четырех измерениях (пространстве и времени).
За последние 10 лет химическая визуализация играет все более важную роль в химии, биологии, медицине, фармацевтике, пищевой промышленности, биотехнологии, сельском хозяйстве и промышленности. Химические характеристики большинства материалов неоднородны, поэтому как "что", так и "где" следует измерять в диапазоне от миллиметра до нанометра. То же самое относится и к ископаемым.
Независимо от того, скелетные они или мягкотелые, или сохраненные в форме (оттиски, слепки, слепки, минерализации и сжатия), или даже изолированные органы, ископаемые чаще всего являются химически неоднородными. Большинство традиционных методов химического анализа ранее применялись в палеонтологии, таких как комбинированная газовая хроматография/масс-спектрометрия и комбинированная жидкостная хроматография/масс-спектрометрия.
В результате чего можно получить средний химический состав ископаемого образца. Без репрезентативной выборки и надлежащего понимания неоднородности выборки такие результаты могут быть скомпрометированы.
Таким образом, в ископаемых исследованиях преимущество химического визуализации по сравнению с большинством обычных химических анализов заключается в способности определять и количественно оценивать химические характеристики на месте.
Выявление и определение пространственного распределения химических соединений позволит палеонтологам провести дальнейшую оценку состояния консервации, охарактеризовать тафохимические изменения и выявить исходную биологическую информацию. Которая является критической для проверки гипотез о филогении и эволюции организмов и понимания истинной биологической функции и экологии ископаемых структур.
Кроме того, такие пространственно разрешенные химические структуры, распространенные на границы раздела между окаменелостями и окружающей средой. Матрица и/или интерфейс между различными частями ископаемого, может предоставить нам информацию о воздействии на них окаменелостей и диагенетических процессов.
Поскольку ископаемые являются ценными и незаменимыми ресурсами, неинвазивный анализ важен там, где отбор проб значительно ограничен ограничен из-за ограниченной доступности образцов (многие ископаемые виды известны только по одному образцу). Даже если отбор проб возможен, обычно предпочтительнее проводить неразрушающий анализ, что означает, что один и тот же образец или образец может быть сохранен для дальнейшего или повторного анализа.
Существует несколько методов неинвазивной химической визуализации, таких как инфракрасный метод Фурье-преобразования, рентгеновская флуоресценция и визуализация, которые обычно сканируют весь образец или всю пробу без разрушения поверхности, оставляя атомы или молекулы в образце целыми. Однако на самом деле трудно определить метод анализа поверхности как разрушительный или неразрушающий.
Например, энергодисперсионное рентгеновское излучение и анализ теоретически не удаляют атомы или молекулы на поверхности, но, вероятно, сжигают поверхность образца в результате высокоэнергетического процесса. Кроме того, подготовка гладкой и полированной поверхности образца для анализа также может быть в некотором роде разрушительной.
Так, в данном случае речь идет о методах деструктивной химической визуализации, когда атомы или молекулы распыляются от поверхности образца таких как лазерно-абляционные методы и вторично-ионовая масс-спектроскопия.
По сравнению с анализом методом противоправной экстракции, при котором образец растворяется или деградирует, эти методы минимально разрушительны (затрагивая только внешнюю поверхность образца на глубину от нанометра до миллиметра) и оставляют образец нетронутым для дальнейшего анализа. Благодаря этим преимуществам в палеонтологии недавно было внедрено несколько методов химической визуализации, которые быстро стали важными в данной области.
В целом, каждый прибор для получения химических изображений состоит из трех компонентов: источника излучения для освещения образца, спектральноселективного элемента и детектора или детекторной решетки для сбора изображений. Здесь мы сначала опишем аналитические принципы каждого метода и обсудим вопросы, связанные с образованием и интерпретацией химических сигналов. Далее мы дадим обзор основных применений этих методов для изучения ископаемого и основных преимуществ каждого из них. Наконец, мы рассматриваем внутренние пределы каждого из этих методов и их потенциальные недостатки.
Цель настоящего обзора - подчеркнуть большой потенциал методов безмаркировки химических изображений (маркировка изображений выходит за рамки настоящего обзора) в палеонтологии, сравнить различные химические методы визуализации, которые уже были применены или имеют большой потенциал для использования в палеонтологии в ближайшем будущем, и предоставить рекомендации по выбору подходящего метода (методов) для работы с конкретными ископаемыми образцами и конкретными научными вопросами. Боковое сравнение этих методов химической визуализации.