近年来, 随着X射线光源、 单色、 聚焦及探测系统的发展, 在实验室可借助低功率X射线光源开展X射线荧光(XRF)和X射线吸收谱(XAS)分析。 液体金属射流源等新型X射线光源系统、 闭合反馈系统、 电荷耦合元件和方孔微通道板等技术和计算方法的进步促进了聚焦扫描型、 全场型和XRF计算机断层扫描等实验室型XRF元素空间成像技术的发展。 超环面、 球面和柱状弯晶等单色聚焦系统的发展推动了实验室型XAS技术的发展。 探索新型的实验室X射线光源系统, 开发更高效的单色聚焦系统, 推动X射线动态电影拍摄技术等将是未来研究的重要发展方向。

环境样品中元素的浓度、 空间分布和赋存形态等是认识元素的生物功能和环境行为的关键。 本文对近年来X射线光谱技术在生物与生态环境中的应用研究进展进行了评述, 发现X射线荧光光谱技术可以提供活体植物中元素迁移与分布的定量数据, 且微区X射线荧光光谱和X射线吸收谱技术的联用可深入认识生物与元素的相互作用, 尤其是生物对元素的吸收、 转运、 贮存和细胞解毒机制, 同时也能够揭示典型环境样品中元素的来源、 演化和归趋等环境行为。 然而, 由于生物和环境样品基质的复杂性和多样性, 仍存在一些技术难点与挑战, 如X射线荧光自吸收效应的克服、 低丰度(5%~10%)的元素形态的准确鉴定, 以及对活体细胞中短暂的元素氧化还原反应的捕捉等。

生命起源、 全球气候变化等是关系到人类未来命运的重大科学问题, X射线光谱(XRS)可原位测定物质组成与元素形态, 在解决重大科学问题、 揭示自然规律中发挥了重要作用: (1)在生命起源探索中, 通过RNA结构和海洋热液自养体系元素形态分析, 揭示了RNA形成机制和生物地球化学规律; (2)在地球早期生命研究中, 通过沉积纹层、 细胞组构测定, 发现了远古生物保存机制与证据; (3)在全球碳循环研究中, 通过物相与元素形态分析, 揭示了铁源生物有效性与碳汇机制。 利用XRS从微纳米尺度原位测定元素三维空间分布与形态, 实现活体分析蛋白质信息传递与生物响应过程, 探索元素与有机质构效关系, 揭示生命起源与生物代谢机制及全球气候变化规律, 是XRS未来发展中的重要领域; 作为冶金、 材料、 地质、 文物、 工矿、 生态、 环境、 医学与生命科学等领域中的重要分析手段, XRS所特有的无损、 原位与活体分析特性, 已呈现了巨大应用价值, 在未来探索重大科学问题、 解决关键技术难点的研究中, X射线光谱分析技术必将发挥更大作用。

头发是人体元素的排泄器官之一， 头发中元素含量能反映出一段时间内矿区毒性元素在人体内的吸收和代谢情况。 采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-OES）对某铅锌矿区居民头发中Pb， As， Cd， Ca， Mg， Fe， Zn， Cu， Mn和Sr进行了定量分析， 应用微区X射线荧光（Micro-XRF）和X射线吸收近边结构谱（XANES）测定了头发中的Pb和As等元素微区分布和Pb形态。 研究发现（1）当地部分居民已经受到矿区中Pb， Cd， Cu和Mn等重金属污染的危害。 （2）不同性别群体的生理特征和生活习惯是决定其分布特征的主要因素， 其中女性头发中Pb， Cd， Ca， Mg， Zn， Cu和Sr的平均含量都显著高于男性， 男性头发中的Fe显著高于女性； （3）由于各元素性质、 来源和吸收机制等原因， 矿区居民头发中Ca-Mg-Sr-Zn， Pb-Cd-Cu-Mn， Fe-Mn具有相关性； （4）矿区典型头发样本中Pb和As主要沿头发中轴分布， 从发根至发梢含量有逐渐增多的趋势； （5）头发样品中Pb由4.7%Pb3(PO4)2， 36.8%Pb-GSH和8.4%PbS组成； （6）头发中不溶性磷酸铅、 铅-半胱氨酸巯基结合态是发铅的主要存在形态， 揭示了其为人体铅代谢的主要途径之一。

微区无损分析可提供物质组成元素的原位分布信息, 以揭示物质形成条件、 元素动态分布过程与相互作用机理、 生物代谢作用等。 文章报道了实验室型微区X射线荧光(μXRF)光谱仪的研发和元素生物地球化学动态分布过程研究结果。 μXRF光谱仪采用15 μm光斑的聚束毛细管X射线透镜为激发源, 选用分辨率为135 eV的硅漂移探测器(SDD), 样品和探测器间角度可调, 使之可进行异型样品如地质样品的原位分析, 利用五轴自控实现样品时空四维元素分布测定。 利用该μXRF光谱仪测定了矿物-生物膜间的元素迁移和玉米种发芽过程中的元素分布, 发现(1)生物膜可吸附、 富集毒性元素铅, 是重金属的重要汇集地, 最大富集系数1.7。 (2)生物膜是金属从固态矿物相经水相进入生态系统的重要途径。 (3)在玉米种子中, 可检测到K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn和Pb。 Zn主要在胚乳中分布, 胚中有少量Zn存在; 在胚乳和胚中存在微量Fe; 胚乳中存在微量Pb, 胚中未观测到Pb。 (4)经含Pb溶液浸泡发芽后, K在玉米种中胚和胚乳中部分富集, Fe分布在种皮和胚乳中, Cu和Zn主要在胚乳中分布; Pb主要在胚根、 胚轴和胚芽中分布, 且Pb在新生根中高度富集。 研究表明, 在种子萌发阶段, Pb等毒性元素可被植物滞留于根部, 制约了其向地上部的转移, 从而揭示了植物对毒性元素的耐受机制。

南京栖霞山铅锌矿是华东地区最大的铅锌矿床之一, 已开采50多年, 由此引发的环境问题日益突出。 当地环境中铅含量较高, 但铅的迁移和毒性机理不明。 为此在该地区开展了铅锌矿生物地球化学研究, 借助ICP-MS铅含量分析和Pb-LⅢ边XANES形态分析技术, 在该污染区发现了耐受并富集重金属的浮萍样品, 浮萍中铅的含量为39.4 mg·kg-1。 XANES分析和形态拟合结果显示其含硬脂酸铅65%和硫化铅36.9%, 从而揭示浮萍样品中铅以含硫的有机酸铅形式存在。

报道了应用X射线荧光光谱技术在中国本土获得的普通人群原位人体活体骨铅数据， 发表了中国大陆普通居民的胫骨和根骨活体骨铅浓度及其研究结果。 采用Pb的K系谱线进行了原位活体分析人胫骨和根骨骨铅含量。 普通人群样本中所测骨铅含量加权平均值在0.4～22.7 μg·(g骨矿物质)-1之间， 不确定度在7.0～12.5 μg·(g骨矿物质)-1之间， 平均最小检出限20.3 μg·(g骨矿物质)-1。 在污染调查区居民中发现骨铅最高可达73.9 μg·(g骨矿物质)-1。

铅锌矿区及附近土壤由于受铅锌矿开采和选冶影响, 受到普遍污染, Pb和Zn含量高, 浓度范围宽。 由于谱线重叠, 高含量Pb严重干扰As的测定。 同时高含量Pb和Zn的土壤标样缺乏。 针对以上3个问题, 该工作研究探讨了有效解决途径, 建立了铅锌矿区土壤重金属Pb, As, Cd, Cu和Zn等的EDXRF分析方法。 所建方法的可测量浓度, Pb为4.4～23 600 μg?g-1, Zn为7.0～39 400 μg?g-1, 方法检出限分别为1.1和0.9 μg?g-1, 平均相对误差分别为7.6%和6.2%。