Research Infrastructure: Mid-scale RI-1 (MI:IP): X-rays for Life Sciences, Environmental Sciences, Agriculture, and Plant sciences (XLEAP)

研究基础设施:中型 RI-1 (MI:IP):用于生命科学、环境科学、农业和植物科学的 X 射线 (XLEAP)

基本信息

  • 批准号:
    2330043
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 1999.93万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Cooperative Agreement
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-04-01 至 2029-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Support from this award will allow for construction of a new, world-leading synchrotron beamline delivering X-rays for Life, Environmental, Agricultural, and Plant sciences (XLEAP) at the Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS). The XLEAP facility will provide users with a micro-focused, energy-tunable, highly flexible "X-ray Microscope" and custom plant growth chambers for studying living systems in as close to natural conditions as possible. The XLEAP instrument will provide researchers a unique combination of x-ray techniques including 2D and 3D elemental imaging modes, oxidation state measurements, and complementary non-x-ray microscopy. Together, these new resources will enable researchers to ask and answer entirely new questions about how plants take up, transport, and use metals and micronutrients; how plants respond to environmental stimuli like bacteria, microplastics, and climate; how metals are transformed in soil degradation processes and at the soil-root interface; and how metals and micronutrients are taken up and stored in marine plant and animal life. These research questions are critical to efforts to develop nutritious and climate resilient crops, improve agricultural practices, and reduce human impacts on the environment. XLEAP will leverage a relationship with the Cornell School of Integrative Plant Sciences to engage its future user community during construction. Furthermore, a partnership between Cornell and the University of Texas at El Paso (UTEP) will allow four UTEP graduate students to gain hands-on training in project management and cutting-edge x-ray techniques as they perform pilot projects that help commission XLEAP's capabilities.XLEAP will provide a unique combination of capabilities, including (1) both high flux and high-energy-resolution submicron modes, (2) sub-micron focused x-rays from 5-30 keV, (3) = 1 µm focused x-rays from 30-70 keV, (4) an open sample area accommodating custom in-situ plant growth chambers and rhizo-boxes as well as a cryostat, (5) CHESS-developed 3D confocal micro-x-ray fluorescence (XRF), and (6) dedicated optical microscopy integrated with x-ray microscopy workflows. The facility will also include an on-site growth chamber for controlled environments during beamtime, as well as dedicated sample preparation facilities (stereomicroscope, microtome, cryo-microtome) for room-temperature and frozen hydrated tissues. XLEAP will offer XRF imaging, tomography, and confocal modes; x-ray absorption spectroscopy (XAS) in time-resolved or spatially resolved modes; and micro- x-ray diffraction (XRD) imaging. Combinations (e.g. XRF + XRD) and rapid switches between these modes (e.g. from XRF to XAS) will be important in the design and construction of the beamline. The ability to study living plants in-situ in a customized growth chamber on the beamline will enable researchers to examine genotype-phenotype relationships in non-stressed tissues. Microfocused x-rays at energies 40 keV and cutting-edge detectors with low per-pixel dwell times will minimize radiation dose and damage to living tissue, enabling study of dynamic changes in living tissues on multiple time scales. High energies will offer high-sensitivity unambiguous measurements of high-Z elements like iodine and rare earth elements. In the 5-30 keV range, submicron x-rays will enable cellular-level studies.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项的支持将允许在康奈尔高能同步加速器源 (CHESS) 建造一个新的、世界领先的同步加速器束线,为生命、环境、农业和植物科学 (XLEAP) 提供 X 射线。 XLEAP 仪器将为用户提供微聚焦、能量可调、高度灵活的“X 射线显微镜”和定制植物生长室,以便在尽可能接近自然的条件下研究生命系统。结合 X 射线技术,包括 2D 和 3D 元素成像模式、氧化态测量和互补的非 X 射线显微镜,这些新资源将使研究人员能够提出并回答有关植物如何吸收、运输、以及利用金属和微量营养素;植物如何应对细菌、微塑料和气候等环境刺激;金属如何在土壤退化过程中以及在土壤-根界面处转化;以及金属和微量营养素如何被吸收和储存在海洋中。这些研究问题对于开发营养丰富且适应气候变化的作物、改善农业实践以及减少人类对环境的影响至关重要,XLEAP 将利用与康奈尔大学综合植物科学学院的关系来吸引其未来的用户。此外,康奈尔大学和德克萨斯大学埃尔帕索分校 (UTEP) 之间的合作伙伴关系将使四名 UTEP 研究生在执行试点项目时获得项目管理和尖端 X 射线技术的实践培训。帮助委托 XLEAP XLEAP 将提供独特的功能组合,包括 (1) 高通量和高能量分辨率亚微米模式,(2) 5-30 keV 亚微米聚焦 X 射线,(3) = 1 µm 聚焦30-70 keV 的 X 射线,(4) 一个开放的样品区域,可容纳定制的原位植物生长室和根盒以及低温恒温器,(5) CHESS 开发的 3D 共焦微 X 射线荧光 (XRF) 和 (6) 与 X 射线显微镜工作流程集成的专用光学显微镜。该设施还将包括一个用于光束时间期间受控环境的现场生长室。用于室温和冷冻水合组织的专用样品制备设备(立体显微镜、切片机、冷冻切片机)将提供 XRF 成像、断层扫描和共聚焦模式;时间分辨或空间分辨模式下的 X 射线吸收光谱 (XAS);以及微 X 射线衍射 (XRD) 成像(例如 XRF + XRD)以及这些模式之间的快速切换(例如从 XRF 到 XAS)。在光束线上的定制生长室中原位研究活植物的能力将使研究人员能够检查非胁迫下的基因型-表型关系。能量为 40 keV 的微聚焦 X 射线和每像素停留时间较短的尖端探测器将最大限度地减少对活体组织的辐射剂量和损伤,从而能够研究活体组织在多个时间尺度上的动态变化。 - 在 5-30 keV 范围内对碘和稀土元素等高 Z 元素进行高灵敏度明确测量,亚微米 X 射线将实现细胞水平的研究。该奖项反映了 NSF 的法定要求。使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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  • 资助金额:
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