拉曼光谱在植物细胞壁研究中的进展-5-1239

拉曼光谱在植物细胞壁研究中的进展
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) & 北京林业大学材料科学与技术学院北京! ) < ! !!! , & 齐齐哈尔大学轻工纺织学院黑龙江 齐齐哈尔! ) + ) +
摘!要!在能源紧缺和环境恶化的双重压力下农林生物质替代化石资源生产生物燃料化学品及生物基 材料的研究和开发已成为国内外众多学者关注的热点全面了解农林生物质原料的化学组成及其结构特 性是高效利用农林生物质的基础作为一种无损的检测技术现代拉曼光谱能够在原位状态下提供植物细 胞壁区域化学和主要组分结构特性信息本文简述了拉曼光谱成像技术原理概括了拉曼光谱在植物细胞 壁主要组分的结构分析纤维素和木质素的微区分布及其分子排列等方面的研究进展以促进该技术在植 物细胞壁研究中的应用 关键词!拉曼光谱纤维素木质素微区分布分子排列 中图分类号 & 9 3 3 6 & ) * " D ! C . ) 8!!!% & ' ) & ! D + E , ) ! " * ) , ! D * " !!文献标识码 F 析纤维素和木质素的微区分布及其分子排列方向等方面的
国家自然科学基金项目 和教育部博士点基金项目 资助 ! ) , , " " ! ) G " , + , ) ) E ) ) " !基金项目国家杰出青年科学基金项目 作者简介 马 静 年生 北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生 ) D < + / * = 5 9 % = 5 9 6 + G < $ 1 = 5 9 % & 0 $ = F I ! ! !! !M / * = 5 9 % b J b ! ) " J K & / 7 K & 0 6 F "通讯联系人!! !?
质素浓度分布具有明显的不均一性" & ' 为纤维素的拉曼成像图 & 积分区域 D ? G <")) G < !!图, ( ) d )' ) ) " 与 层中木质素的分布相比 ! 纤维素的分布相对 . , 0 = 均一"在 . ,层中!纤维素微细纤维的取向近乎平行于纤维 细胞轴方向!因此纤维素浓度的变化对积分区域 D G < )) G < " 0 =d)拉曼信号强度的影响较小"从图中可知 . , 层中纤维素 浓度最高" N : O 处纤维素的浓度较低!而 N N 处浓度最低"
) , E -
光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! !卷 山毛榉$白杨' $非木材& 小麦秸秆$细叶芒$玉米秸秆$马尾 等多种植物的拉曼光谱!并对纤维素$半纤维素和 草$麻类' 木质素的特征峰进行了归属!结果表明三种主要组分呈现不 同的拉曼光谱"图) ) 为漂白黄麻! , 芒果核纤维! 0 洋麻! 6 ( ) E 白杨! 黑云杉和 蔗渣的拉曼光谱 " 5
2 . " < $ * . : A. 7 7 , : C $ : 0 7 8 9C . , :/ 8 C 8 : $ : 0 7 8 9 0 1 $ / $ < <= . < < !W 6
波数 * 0 =d) ! # ! < E ! , E D " " E D E " + " + + ) " + D G , G " < D ! D ) E " < D D )! ) ! " D D " )) < " D D " ), ! " )! + )E " ! )E " ), G E )" < )+ " " )D , )D < " )) ) D )) , , " )) E ! ), D " ), )" " )E , ! )" < )+ ! )+ , )+ , < )+ " )+ < ) " ! )+ + )+ + " )+ + E )+ < E " )+ D )+ D " " )G ! + ,< !" ,D ) < !!) " !, !" " 特征峰归属
芳环 N ) B 伸缩振动( <
! ) " + QB 伸缩振动(
! < )D < 和 ,< D !!纤维素的三个典型特征峰出现在 ! 0 =d)!分别是吡喃环 N N N 的对称弯曲振动$糖苷键 N Q N的 非对称伸缩振动$纤维素中 N B 和N B B 伸缩振动"半 , 的N 纤维素与纤维素在化学性质上相似!二者谱图在一些波数区 域相近!但以非结晶形式存在!其拉曼谱图特征峰较宽且信 号较弱!所以其谱图容易被纤维素谱图掩盖!很难辨认"木 质素具 有 两 个 明 显 的 特 征 峰!分 别 出 现 在 )+ - 和 )+ + * 芥子醇 0 =d)!来自木质素中苯环的对称伸缩振动$松伯醇 结构中与苯环共轭的 N * 芥子醛结构中与苯环 *N 和松柏醛 ! + , ) * 2Q . C . :7 $ / 0 5 .8 9$ " < $ . / 1 $ A[ D 0 $ %C . : 87 $ $ A !+ 6 ! ! ! ! 9 , " $ 5 7 &K $ : . 9 *. 7 $ : +" < . / K7 5 D / $ D . 5 / . : $ 87 6 6 " . . 7 7 $ 共轭的 N *Q 伸缩振动"
) 采用 8 5 2 H 5 %等 ) B Z < -共聚焦显微拉曼光谱仪通过 I 逐点扫描对黑云杉原位纤维细胞壁中纤维素及木质素分布进 ( )
( ) ( ) ( ) ( ) G < D $ $O 和. 研究中 Z 9 0 M 1 / 2) \ 9 / 2 % 9 6 / 2) / M 2 9 6 / 2) K 6等 , I I 也可得到类似的结果"这些结果表明!在不同形态学区域木
修订日期 , ) , * ) * < , ) ! * ) * , , !收稿日期
通过对拉曼光谱谱带的分析可判定被测物质的化学组成 含量和结构特性通过与显微技术的结合可分析被测样品 中成分的微区空间分布即激光束经显微镜物镜聚焦在样品 表面设定测量范围和步长以及测量条件后由软件控制在 每个样品点采集光谱最后软件基于这一系列光谱数据利 用不同成分特征拉曼频率的强度变化构建出该成分在样品
苷键联接而成的线性高分子均聚物!在自然界中以高度结晶 的纤维形式存在"半纤维素由非结晶的复合聚糖组成!是多 分枝的聚合物"而木质素是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳 碳键联接而成的芳香族高分子化合物" 学者们研究了针叶木& 黑云杉$铁杉$柳杉$花旗松$雪 松$黄松$落叶松$赤松' $阔叶木& 桦木$枫木$橡木$椴树$
! ) " + 吡喃环 N N和 N Q 的扭曲振动( ! ) " * G < 吡喃环 N N N 的对称弯曲振动( ! ! ) " + < 吡喃环 N N Q 骨架弯曲振动( ) G 聚木糖( ! ) " + 吡喃环 N Q N 弯曲振动( ! ) " + N N B 弯曲振动( ( ) < 苯环变形振动 ) " N Q N 面内对称伸缩振动( ) < B*N B 中N B 摇摆振动( , -N ) " * G 吡喃环 N +上的 B N N 以及 B N Q 弯曲振动( ( ! ! ) " + D 纤维素和半纤维素' Q 伸缩振动& N N和 N ( ) < 苯环 N B 弯曲振动 ) " 伯醇 N Q 伸缩振动( ) D 芳香基dQ N B Q 伸缩振动( ! 和芳香基 dQB 中 N ) " 仲醇 N Q 伸缩振动( ! ! ) " G D 糖苷键 N Q N 不对称伸缩振动( ! ! ) " G D 糖苷键 N Q N 对称伸缩振动( ( ) < Q N B ! 摇摆振动 ) " * D N Q!B N B 和N QB 弯曲振动( B N N!B ( ) D Q N B N B ! 变形振动 $ , 剪切振动 ) D 苯环的不对称伸缩振动( ! ) " G * ) 苯环的对称伸缩振动( ! ! ) G D ) 松柏醛结构中与苯环共轭的 N *N 键伸缩振动( ( ) < 与苯环共轭的 ,位 N *Q 伸缩振动 ) G * ) 松伯醇 * 芥子醇结构中与苯环共轭的 N * 芥子醛结构中与苯环共轭的 N *N 和松柏醛 *Q 伸缩振动( 中 伸缩振动 ( ) B N N < *Q *Q ) < BQ N *Q 中 N *Q 伸缩振动( ) " N *Q 酯键伸缩振动( ( ! ! ) " * G D ) 伸缩振动 & 包括木质素甲氧基 $ 纤维素中 N B N B 和N B ,' ) G 聚葡萄糖甘露糖(
研究进展为农林生物质高效转化利用中细胞壁化学结构与 超微结构的原位分析提供了新思路新方法
) !拉曼光谱成像技术原理
!!拉曼光谱是研究分子振动和转动能级跃迁的光谱方法 是由分子极化率变化诱导产生的分子的振动和转动能级不
, 同拉曼光谱的谱线数目位移大小和谱线强度则不同
Leabharlann Baidu
生物活体的检测中发挥着重要作用 由于不可再生能源的日益枯竭和生态环境的不断恶化 发展绿色能源是人类可持续发展的必然途径以农林生物质 为原料生产生物燃料化学品及生物基材料已成为各国关注 的热点农林生物质主要包括农作物秸秆和农产品加工废弃 物及森林生长林业生产过程中产生的生物质资源和林业副 产品的废弃物全面了解不同原料的细胞壁化学组成结构 特性与微区分布规律是高效利用农林生物质的基础拉曼光 谱技术样品制备简单无需染色包埋等能无损快速可 重复的对样品进行定性定量及结构分析尤其是共聚焦显 微拉曼光谱可用图像的方式显示样品的化学成分空间分布等 信息在植物细胞壁的研究中引起学者们的关注并取得了 一系列重要的研究成果在简述拉曼光谱成像技术原理的基 础上重点介绍了拉曼光谱在植物细胞壁主要组分结构分
引!言
!!拉曼光谱又称拉曼效应是研究分子振动和转动的一种 光谱方法由于拉曼光谱具有样品制备无特殊要求可检测 微克级样品对样品可进行原位成分和结构分析等优点能 快速简单可重复且无损的获得分子原子水平上的信 息目前拉曼光谱技术已广泛应用于材料石油化工生物
) 特别是在珍贵样品和 医学地质考古宝石鉴定等领域
第"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析
) , E )
! !纤维素与木质素在细胞壁中分布
!!细胞壁通常是由纤维素微纤丝与围绕它的木质素$半纤 维素及其少量果胶组成的层状结构"微纤丝主要由纤维素Y 组成!并构成了结构骨架!而半纤维素与木质素则是微细纤 维间的0 填充剂1 和0 粘合剂1 "植物细胞壁自外至里依次是初 生壁& ! 和次生壁 & ! ! 2 9 = 5 2 5 % % >' 3 / 0 $ 6 7 5 2 5 % % . ) . ,和 ( 4H 4H ' !两个细胞之间存在一个共同的胞间层 & ! . ! = 9 7 7 % / % 5 = / % % 5 ' ! 在 个细胞之间存在一个共有的区域 , 细胞角隅 : O ! E " & ! ' " 0 / % % 0 $ 2 6 / 2 N N 研究植物细胞壁主要组分微区分布特点通常采用电子显 微镜$紫外显微镜$干涉显微镜等技术!这些传统技术制样 繁琐!且样品在包埋$化学分离或染色中受到严重破坏!无 法获得主要组分在细胞壁的原位分布信息"然而显微拉曼光 谱成像技术避免了上述传统技术的不足!不仅可获得微区样 品的原位成像和任意区域的平均光谱!而且对选定区域进行 光谱分析可获得分子结构的信息"
第! 第"期! !!!!!!!!!!!光 谱 学 与 光 谱 分 析 !卷 ,-)! 年 " 月!!!!!!!!!!! !. / 0 1 2 $ 3 0 $ 6 7. / 0 1 2 5 %8 6 5 % 3 9 3 ( ( 45 ( 4
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! 上的空间分布图 近年来激光技术和信号探测技术的发展
使得拉曼光谱成像技术有了更广泛的应用
, !细胞壁主要组分的拉曼光谱
!!植物细胞壁主要由纤维素半纤维素和木质素构成三 者占原料总质量的< U" D " U纤维素半纤维素及木质素 均是高分子化合物其中纤维素是由 R 葡萄糖基通过 * * ) E *