采用高质量增量核心的高级工作流程 - 新技术和设备

摘要

在这里，我们提出了一个协议，说明如何通过应用带有扭矩倍增器的无绳钻头来避免增量岩心中的微裂纹，以最大限度地减少取芯树时的问题，以及它对准备长微切片的影响。该协议还包括在现场磨削取芯器的程序。

摘要

在树木生态学研究中，每个年轮的精确年代是所有研究的基本要求，仅关注环宽变化，化学或同位素分析或木材解剖学研究。与某项研究的取样策略（例如气候学、地貌学）无关，取样的方式对于成功制备和分析样品至关重要。

直到最近，使用（或多或少）锋利的增量取芯器来获得可以打磨以进行进一步分析的岩心样品就足够了。由于木材解剖学特征可以应用于长时间序列，因此获得高质量增量岩心的需求具有了新的意义。从本质上讲，取芯器在使用时需要锋利（内化）。用手取芯树时，在处理取芯器时会出现一些问题，导致整个岩心隐藏出现微裂纹:当开始用手钻孔时，钻头被强烈压在树皮和最外层的环上，直到螺纹完全进入树干。同时，钻头上下以及向侧面移动。然后，将取芯器一直钻入树干中;但是，每次转弯后都必须停下来，更换握把，然后再次转弯。所有这些运动以及启动/停止取芯都会给核心施加机械应力。由此产生的微裂纹使得不可能产生连续的微截面，因为它们沿着所有这些裂缝分崩离析。

我们提出了一种协议来克服这些障碍，通过使用无绳钻头应用新技术来最大限度地减少树木取芯时的这些问题，以及它对长微切片制备的影响。该协议包括长微切片的制备，以及在现场磨削取芯机的程序。

引言

树木生态学研究基于树木年轮的各种特征，包括一年生和其他特征。"先兆"学科树木年代学是使用环宽度变化作为参数建立的，以简单地确定环的年代，从而建立长年代学。因此，使用多种其他特征，例如密度变化，同位素浓度或木材解剖特征，将单个年轮或其结构和内容与环境参数相关联，以更好地了解环境条件对树木生长的影响随时间推移。

树木生态学和树木气候学在环境研究中越来越重要，主要是在重建过去的^{气候条件方面}1，^2，3。为此，必须详细分析无数树木的年轮。尽管存在一些技术来确定树木年轮的宽度和密度（例如，通过声波技术⁴或钻孔阻力⁵，⁶），但迄今为止^，还没有可靠的"非破坏性"方法从树木中提取年轮的特征。为了非常详细地分析树内的年轮特征，或估计基底面积增量，最好从感兴趣的树上切割圆盘⁷。这将需要砍伐所有潜在的感兴趣的树木进行特定分析。考虑到每年在全球范围内分析的树木数量庞大，这种抽样策略是不切实际的。不管浪费大量的资源，这种策略实在是太昂贵了。因此，增量取芯器的使用已被确立为树木年轮研究中的标准采样技术⁸。增量取芯器的使用允许从树皮开始，从树皮开始，^到达（在最佳情况下）树髓9的木芯的微创提取。

虽然取芯会对茎造成伤害，但直径为~1厘米的孔能够通过增加芯孔附近的木材形成来关闭该伤口。除了孔本身之外，一个缺点是出现了"区室化区"，即孔周围的一个区域，细胞被酚填充以防止真菌从孔^10，11开始的潜在传播。据我们所知，仍然没有证据表明增加取芯会导致树木腐烂频率显着增加，至少在未受干扰的高海拔森林中， 云杉¹² 和温带森林中的几种硬木物种¹³。

尽管这一抽样标准已经在世界各地应用了几十年，但仍然存在一些问题。其中之一是核心必须在没有任何机械支撑的情况下手工拿走，这需要很多时间，一段时间后会非常疲惫。为了便于取样，已经测试了几种（或多或少可行）策略，例如使用配备取芯器的链锯而不是链条¹⁴，¹⁵，^16，17。使用链锯比钻头更受欢迎，因为后者不够强大;然而，由于电锯的重量和所需的燃料很大，这个想法并没有流行起来。

近年来，木材解剖技术有了显着发展，并被整合到树木生态学研究中^18，19。然而，通过从增量岩心切割微切片来长期分析木材解剖参数的能力导致了意想不到的问题。通常，从磁芯中取出的微切片会断裂成小块，因此无法产生连贯的切割（图 1）。这个问题是由手动取芯树木和不锋利的取芯器技术引起的。取芯时施加在木材上的机械应力导致芯内出现微裂纹。在增量岩心的宏观检查中从未注意到这些微裂纹，因此从未出现问题。

手动取芯是通过将手柄放在取芯器的后端，用螺纹将尖端压在阀杆上，然后开始转动手柄，直到取芯器刺穿茎直径的一半多一点来完成的。这样做时，取芯器的尖端（显然）固定在杆中，但由手柄转动的取芯器的后端始终向侧面或上下移动，至少直到钻头完全拧入树干，为取芯器提供更多的引导和稳定性。由于高压和取芯器的移动，增量岩心在最外层~5厘米处经常变形（图1）。即使车削时的摩擦减少到最小，另一个过程也会对取芯器内部的增量岩心施加应力。手动取芯不允许取芯器的切削刃在阀杆内连续移动。一个人最多可以做一整圈，然后不得不停下来改变握把，然后继续钻孔。每次旋转重新开始时，岩心都会略微扭曲，直到克服摩擦并且钻头再次旋转。这些机械应力可能导致芯结构出现微观裂纹。

当取芯器的切削刃不锋利时，这种机械应力甚至会增加。不锋利的岩芯的一个明显标志是不平坦的核心表面，沿着其整个延伸部分显示大量裂缝²⁰ （图 2）。磨削的频率取决于要取芯的树木的密度以及要取芯的树皮中存在的矿物质或沙子。一般来说，人们不应该假设新的岩心是锋利的。迄今为止，由于难度大，几乎从未在现场进行过磨削取芯器，因为这必须手工完成并且需要大量经验^11，20。

总而言之，手动取芯和不锋利的切削刃都会导致取芯中出现微裂纹。迄今为止，尚未对这些问题进行系统分析，也没有试图找到解决办法。本文提出了一种通过将手动取芯技术与新技术的应用进行比较来克服这些障碍的协议。我们建议使用配备特殊适配器的无绳钻头作为增量取芯器。我们介绍了在树取芯时问题最小化的程度，以及连续机械取芯对长微切片制备的影响。该协议包括使用水溶性胶带作为支撑辅助剂制备长微切片，以及在现场磨削取芯器的程序。

研究方案

1. 手动取芯

1. 根据研究问题（例如，对于地貌重建，平行于机械应力方向;对于年龄测定，尽可能低）组装增量取芯器并选择树干上的取芯位置）。
   注意:始终从每个茎上取两个核心，最好是相反的方向。
2. 选择取芯位置后，将取芯器相对于茎的生长方向成直角放置。
3. 在取芯器的后端放置一个推杆，以便在钻孔时将其稳定。
4. 达到稳定位置并靠在推杆上以对切削刃施加压力。
5. 用双手转动取芯器的手柄，直到钻头的螺纹部分完全转动到杆中。
6. 释放压力并卸下推杆。
7. 开始用双手转动取芯器的手柄，直到取芯器到达或钻穿髓。通过将提取器（与取芯器的长度相同）放在阀杆旁边的手柄上来检查这一点。
8. 取出顶部开口侧的提取器，然后将其完全插入取芯器。向后转动取芯器（一整圈）以从茎上折断芯。将提取器从取芯器中拉出。
9. 从提取器中取出芯并将其存放在纸吸管中。
10. 从阀杆上取下取芯器并将其存放在手柄中。

2. 用无绳钻取芯

1. 使用配备扭矩助力器的无绳钻头，并为 WSL 开发的增量取芯器添加特殊适配器。
2. 将增量取芯器放入扭矩助力器上的适配器中，并根据研究任务选择树干取芯的位置（参见步骤1.1）。
3. 选择取芯位置后，将取芯器相对于茎的生长方向成直角放置。
4. 达到稳定位置，握紧无绳钻头，并对切削刃施加压力。
5. 启动无绳钻头，缓慢转动，直到钻头的螺纹部分完全取芯到杆中，然后提高速度，直到取芯器到达或钻穿髓。
   注意:可以按照步骤 1.7 中的说明检查深度。
6. 从取芯器上取下无绳钻头，将手柄放在其上，然后使用提取器取出岩心，如步骤 1.8 中所述。
7. 将增量芯存储在纸吸管中。
8. 取下手柄，将无绳钻头放在取芯器上，然后从取芯器杆上取下取芯器。

3. 磨锐增量取芯器的切削刃

1. 使用 WSL 锐化支持
   1. 拿起新设计的支架并将其放在地上。
   2. 将无绳钻头（包括增量取芯器）放在指定的支撑点，然后关闭安装支架以固定无绳钻头。
   3. 通过将特氟龙块固定在启动按钮上来 启动 无绳钻头，然后让它运行。拿起锥形磨石，用它磨削切削刃的内部。
      注意: 接触角取决于切削刃的内部。磨石应与内侧壁完全接触，从切削刃一直延伸到取芯器的内加宽。
   4. 拿起矩形磨石，磨削切削刃的外侧以去除毛刺。
      注意:这是必要的，通过从内部研磨边缘去除先前形成的毛刺并最终磨锐边缘。
   5. 从 启动 按钮上取下特氟龙块以停止钻头，打开安装支架以释放无绳钻头，然后将设备从支架中取出。
2. 检查切削刃的锋利度
   1. 从无绳钻头的适配器上拆下增量取芯器。
   2. 将一张纸放在锐化支架的木板上。
   3. 将取芯器的切割边缘放在纸上，同时垂直握住取芯器。
   4. 在垂直握住取芯器的同时转动取芯器，不要对取芯器施加压力 - 只有取芯器的重量应压在纸上。
   5. 提起取芯器并检查是否有圆形纸留在取芯器的切割边缘内。如果是这样，则取芯器很锋利。如果没有，请重复锐化过程（步骤 3.1）。如果核心外部不光滑，请重复整个过程（步骤3.1和3.2）。

5. 使用水溶性胶带切割整个增量芯的微切片

1. 在切片机旁边放置一个长载玻片，并在载玻片的中间沿其整个长度添加一些水。
2. 将核心放在核心切片机的样品架中。
   注意:要将截面切割为真正的横截面，请确保纤维的方向是直立的。
3. 提起样品架，直到核心几乎接触刀片的边缘。将刀片拉过核心以切断顶部。
4. 再次将刀放在芯的起点，提起样品约10μm，然后重复切割过程，直到获得至少2mm宽的平面。
5. 使用刷子在切割表面上加入玉米淀粉溶液²¹。
6. 用一块布从芯子顶部去除多余的溶液。
7. 将一条水溶性胶带切割成与芯材相同的长度;将胶带的一侧放在芯的起点，重叠约1厘米，芯的起点朝向切片机的刀片。
8. 用手指抚摸表面上的胶带，将胶带固定在芯材表面。
9. 将切片机中的样品抬起15-20μm，稍微提起胶带的重叠部分，然后将切片机刀片放在芯的边缘。
10. 在握住胶带末端的同时切割该部分。
11. 取粘有薄部分的胶带，并将其切口朝下放置在步骤5.1中准备的载玻片的水线上。
12. 大约 10 秒后，开始用镊子取下胶带，将胶带放在一侧并将其提起，同时注意该部分保持在载玻片上。
13. 要制作本节的永久幻灯片，请遵循标准程序²².

结果

当将手动取芯程序与使用无绳钻头进行比较时，后者的优势是显而易见的。我们比较了胸高处茎径为60-80厘米的取芯云杉树（Picea abies （L.） H. 喀斯特）。我们使用 5 mm 的取芯器，长度为 40 厘米，用于所有取芯，并将取芯器的整个长度钻入茎中。手动取芯时，取芯并从树上取下岩心的完整过程平均需要~6分钟。当使用配备扭矩助力器的无绳钻头重复此操作时，整个过程平均只需 1 分钟。除了使用无绳钻头取芯根本不会耗尽之外，由于在钻孔的第一阶段施加在切削刃上的压力，直到螺纹完全进入阀杆内，没有一个岩心变形。一旦螺纹进入阀杆内，取芯器就会或多或少地稳定下来，并且潜在的向上和向下运动被最小化（图3）。

一旦第一个刀芯的外部不再光滑，而是出现划痕和裂纹，如图 2所示，就需要对切削刃进行锐化。因为无绳钻头可以固定，因为它用于取芯（即，包括适配器和增量取芯器; 图4），锐化过程也相当快。稍加练习，锐化时间不超过5分钟。一旦切好的纸粘在取芯器内，就可以继续取样。由此产生的芯子光滑，没有任何划痕或裂缝。借助无绳钻头采集的岩心显示微裂纹的可能性较低;这是切割整个增量芯的微切片的先决条件。水溶性胶带（图5）的应用使长而脆弱的部分的处理更容易，因为胶带可以保护薄部分在将其从刀片上取下并将其放在载玻片上时不会撕裂。此过程节省了实验室时间并提高了微切片的质量，因为除了非牛顿流体（玉米淀粉溶液;参见协议步骤5.5）外，胶带胶还可以稳定细胞壁，同时切割。

图 1:增量取芯器。 （A） 增量取芯器，用于手动取芯，以及螺纹和切削刃的放大视图。（B） 手动取芯开始时由于对木材施加的高压而导致的增量芯变形。（三）微截面增量磁芯的一部分因微裂纹而碎裂。比例尺 = 0.5 厘米。 （D-F） 显示使用无绳钻头取芯程序的照片。开始取芯不需要高压（D，E），手柄可以很容易地用于提取岩心（F），然后直接提取钻头（G）。请点击此处查看此图的大图。

图 2:增量芯显示由于使用了不锋利的取芯器而导致的外部划痕和裂缝。比例尺 = 0.5 厘米。请点击此处查看此图的大图。

图 3:增量磁芯和相关微切片 。 （A） 用锋利的取芯器和无绳钻头拍摄的直芯。（B） 使用不锋利的取芯器手动拍摄的扭曲岩心。（C）用锋利的取芯器取样的 樟子松 岩心的连续切片。（D）落 叶松蜕 芯的切片因使用不锋利的取芯器而破碎成碎片。比例尺 = 0.5 厘米 （A，B）;1厘米（C）。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:设计用于锐化增量取芯器的切削刃的支架 。 （A）特氟龙块，用于引导和稳定增量取芯器。（B）特氟龙块固定无绳钻头的启动器。（C） 六角扳手，用于将 A 固定在板上的其他位置，具体取决于所使用的取芯器类型。（D）夹具固定无绳钻头。（E） 将锥形磨石置于切削刃内。（F）将直磨石放在外面，以去除切削刃的毛刺。 请点击此处查看此图的大图。

图 5:水溶性 胶带的应用。 （A） 将胶带切割成覆盖芯材表面所需的长度。（B）将胶带放在准备好的芯材表面上。（C）用一只手握住胶带的边缘来切割该部分。（D）将胶带面朝下放在载玻片上，并加水将胶带与该部分分开。 请点击此处查看此图的大图。

图6:针叶树的微切片显示"蓝环"。 晚木细胞壁未木质化，为此，蓝色，在 1974 年的环中（在显示长截面的幻灯片上方放大）。比例尺 = 1 厘米。 请点击此处查看此图的大图。

讨论

树木生态学研究将木材解剖学大量纳入²³，²⁴，以及专门从事树木年轮研究的科学家和木材解剖学家²⁵之间的交流加强^，为对过去环境条件的新的和深入的分析开辟了广阔的领域。这些新的研究开辟了新的可能性和问题，但也带来了新的问题。

这个"树状解剖学"新时代的快速发展需要大量的样品，如前所述，使用无绳钻头肯定支持这一点。除了用钻头取芯一点也不累之外，还可以节省大量时间。尽管本文中提供的结果意味着采样速度比手动取芯快六倍，但这是对单核的测试。尽管如此，在定期取样（一个人取芯，一个人编码和储存岩芯）中，我们设法在1.5小时内对24棵云杉树（每棵两棵全长的核心）进行取芯，茎直径约为80厘米。对于一个核心，这意味着平均需要 <2 分钟，包括存储、打包和移动到下一个树。

新设计的增量取芯器适配器无需用螺钉或类似的封盖将取芯器固定在适配器内，即可支持整个过程的快速处理。因此，将钻头更换到取芯器的手柄以破碎和提取岩芯既快速又简单。适配器的设计使得甚至可以在向后钻孔时将取芯器拉出，以防阀杆腐烂，或者（与某些增量取芯器一样）如果回头时螺纹没有抓住并且取芯器没有移出。

但是，应该注意的是，从阀杆上取下取芯器时，需要稍微倾斜适配器，以便可以成功拉动它而不会使钻头滑落（协议步骤2.8）。对树木年轮研究的需求不断增加，以创建基于解剖学代理的长年表¹⁹，^26，这需要从增量岩心准备微切片^，在准备之前切成碎片或切割为整个微观切片²²。尽管长达40厘米的微切片的质量仍然并不总是与短切片相当（例如，细胞在其垂直延伸中的可变角度经常阻碍细胞壁测量），但它们可用于识别和确定特定的生长反应，如反应木或蓝环^的出现27（图6）。

因此，样品的质量是成功制备和进一步分析解剖结构的基本先决条件。这种需求要求在采用增量核心时更加谨慎地对待采样活动的清晰度。因此，如果没有事先嵌入试样，制备微切片可能非常耗时和劳动密集型，有时甚至是不可能的²⁸.

手工磨削增量取芯机的切削刃需要大量的实践和经验，以便在没有任何支撑的情况下用手均匀地磨削磨刃。使用新型钻架对增量岩心进行锐化的能力使即使是没有锐化经验的用户也能在现场磨锐取芯机的切削刃。现在可以快速完成这一事实将提高将来采集的样本的质量。

尽管新设备的使用在岩芯的后续加工中显示出明显的优势，但无绳钻头也可以与近 40 年前开发和展示的小型磨削设备结合使用²⁰.Maeglin²⁰ 展示了由木材和金属制成的"Goodchild's borer Sharpener"的修改结构细节²⁹。如今，该设备可以在3D打印机中建模和打印，没有任何问题³⁰。人们只需要创建卷笔刀的详细3D模型即可打印单个零件并将其组装以在现场使用。改进的可能性尚未穷尽，我们相信，该出版物将激励许多同事进一步开发此处介绍的工具。一个尚未解决的障碍是需要卸下钻头并添加取芯器的手柄以提取岩心。

切割整个增量芯²² 的微切片的最后一步仍然是一个棘手的问题。如前所述，水溶性胶带的应用通过在切割时稳定截面并将其放置在载玻片上来支持该过程。尽管如此，此过程仍然要求用户具有高水平的经验。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
BS 18 LTX-3 BL QI	Metabo		Cordless drill
Core-microtome	WSL		Microtome to cut micro sections from increment cores
Drill adapter for increment corer	WSL		Adapter to fix the increment corer on the cordless drill
Increment corer	Haglöff		40cm increment corer
Power X3	Metabo		Torque amplifyer
Sharpening support board	WSL		Board to attach the cordless dril to sharpen the cutting edge ofd the corer
Water-soluble tape 5414, transparent 3/4IN	3M		Transparent tape to support cutting long sections