共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵制沼气的影响

碱水解法以其方便高效成为稻秸发酵制沼气中广泛采用的化学预处理方法,但是碱水解对于稻秸细胞壁中高聚物成分及其空间致密交联结构的作用机理有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱和透射电镜研究了NaOH碱处理对稻秸厌氧发酵产沼气的影响。首先对未处理稻秸和碱处理稻秸进行微米级空间分辨率的拉曼光谱面扫描,然后对这两类样本进行主成分分析,发现累计贡献率达99%的前两个主成分空间中两类样本分别呈射线状分布,两类样本分界线清楚表明碱处理导致稻叶组织的拉曼光谱响应特性发生了明显变化;进一步分析前两个主成分的载荷图,发现拉曼峰1 739,1 508和1 094 cm-1是影响主成分的重要谱带,而这三个拉曼峰分别归属于半纤维素、木质素和纤维素的拉曼散射效应;结合半纤维素、木质素和纤维素的拉曼特征峰和显微图像信息实现了组织细胞中三种成分的化学成像分析,发现碱处理破坏了稻叶组织中上述三种成分的致密空间结构,并使它们的含量明显减少,尤其是木质素。由此得出结论：共聚焦显微拉曼光谱可实现稻叶组织细胞中半纤维素、木质素和纤维素的无损检测,结合显微空间信息可实现稻秸中三种成分的化学成像分析,该研究有助揭示碱处理促进秸秆厌氧发酵产沼气的作用机理。     

黄藤细胞壁木质素区域化学分子光谱成像研究

整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点。共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、次生木质部导管、维管束间的薄壁组织细胞以及纤维细胞角隅区。基于荧光光谱差异的光谱成像线性拆分结果显示纤维细胞次生壁由宽、窄层交替的同心层状结构组成,且窄层具有更高的木质化程度。比较黄藤、毛竹、芒草、毛白杨和虎皮松拉曼光谱发现黄藤材细胞壁拉曼光谱与阔叶木毛白杨类似,证实了黄藤材的化学组成更加趋近于阔叶木毛白杨。对拉曼光谱中木质素特征峰成像进一步揭示出纤维细胞中木质素不均一的分布规律: 其中细胞角隅胞间层和复合胞间层的拉曼信号强度最高,表明较高的木质化程度,其次是次生壁中的窄层,而次生壁宽层中拉曼特征峰强度最低,这一分布规律与竹材纤维细胞中木质素分布规律类似。宽、窄层中木质素不仅存在浓度上的差异,而且木质素基本结构单元的比例亦不同。采取光谱去卷积的方法排除了碳水化合物的影响,发现窄层中愈创木基(G型)木质素与紫丁香基木质素(S型)比例为0.19,而在宽层中这一比值为0.14,这一结果亦解释了宽、窄层荧光光谱间的差异。该研究结果对探索黄藤细胞壁生物合成及力学响应机制研究具有重要理论指导意义。     

拉曼光谱对稀酸预处理奇岗细胞壁区域化学的研究SCIEI北大核心CSCD

共聚焦拉曼显微光谱技术可有效用于木质纤维生物质细胞壁的区域化学研究。利用该技术探索稀酸预处理过程中奇岗纤维细胞壁木质素和羟基肉桂酸的区域化学变化规律。研究发现预处理前木质素在细胞壁各区域的浓度不同,木质素浓度较高的区域羟基肉桂酸的浓度也较高。稀酸预处理后1 600cm-1(木质素)和1 170cm-1(羟基肉桂酸)的峰值强度降低,表明二者被部分溶出,且溶出率为次生壁>复合胞间层>角隅胞间层。预处理过程中次生壁和复合胞间层的特征峰强度比值(I1 170/I1 600)呈现上升趋势,表明在这两个形态区域中木质素比羟基肉桂酸更易溶出;而在角隅胞间层没有明显变化,表明该形态区域对二者的溶出没有倾向性。通过本研究可以更加深入了解稀酸预处理中化学组分在亚细胞水平的变化规律,同时也进一步拓展了拉曼光谱技术在植物细胞壁研究领域的应用。     

拉曼光谱对稀酸预处理奇岗细胞壁区域化学的研究

共聚焦拉曼显微光谱技术可有效用于木质纤维生物质细胞壁的区域化学研究。利用该技术探索稀酸预处理过程中奇岗纤维细胞壁木质素和羟基肉桂酸的区域化学变化规律。研究发现预处理前木质素在细胞壁各区域的浓度不同,木质素浓度较高的区域羟基肉桂酸的浓度也较高。稀酸预处理后1 600cm-1(木质素)和1 170cm-1(羟基肉桂酸)的峰值强度降低,表明二者被部分溶出,且溶出率为次生壁复合胞间层角隅胞间层。预处理过程中次生壁和复合胞间层的特征峰强度比值(I1 170/I1 600)呈现上升趋势,表明在这两个形态区域中木质素比羟基肉桂酸更易溶出;而在角隅胞间层没有明显变化,表明该形态区域对二者的溶出没有倾向性。通过本研究可以更加深入了解稀酸预处理中化学组分在亚细胞水平的变化规律,同时也进一步拓展了拉曼光谱技术在植物细胞壁研究领域的应用。     

毛竹薄壁细胞组分分布及取向显微成像研究

薄壁细胞是竹材基本组织中的主要细胞类型起到填充及淀粉贮存作用,是竹材中重要的力学承载单元之一。采用共聚焦荧光显微技术对解离后的竹材薄壁细胞形态进行成像观察,透射电子显微镜成像发现薄壁细胞次生壁呈现宽窄交替的同心层状结构,且单层厚度在0.2～0.3μm。在此基础上利用532 nm共聚焦显微拉曼光谱成像技术原位状态下研究竹材薄壁细胞壁中木质素、纤维素区域化学,通过C—H伸缩振动(2 789～3 000 cm~(-1))特征峰峰高拉曼成像成功的区分出薄壁细胞复合胞间层以及次生壁,由于空间分辨率限制无法对薄壁细胞次生壁亚层进行区分。通过对薄壁细胞拉曼光谱380 cm~(-1)(吡喃环C—C—C对称弯曲振动)和1 600 cm~(-1)(木质素苯环伸缩振动)特征峰成像发现其次生壁中纤维素具有明显的区域选择性,而木质素具有明显的区域选择性,主要汇聚于复合胞间层及次生壁内层。与木质素共轭相联的松柏醛/芥子醛,以酯键和醚键与木质素和半纤维素相联的对羟基肉桂酸类与木质素分布规律类似。采用偏振光拉曼成像阐明纤维素微纤丝在薄壁细胞与纤维细胞各亚层中的空间取向差异,拉曼强度比值表明相对于纤维细胞宽层,纤维细胞窄层及薄壁细胞次生壁中纤维素分子更加趋近垂直于细胞轴向,也即是大的微纤丝角。研究结果加深了对毛竹薄壁细胞结构、细胞壁区域化学及分子取向特性的理解,能够为高效精准利用竹材提供重要的理论指导。     

黑杨受拉木纤维细胞组分及孔隙分布拉曼光谱成像数据研究

倾斜阔叶木枝干弯曲部位的上端在拉伸应力影响下通常会形成受拉木。区别于受拉伸部位下方的对应木,受拉木细胞壁通常会出现理化特性变异的现象,主要归因于细胞次生壁内侧胶质层的形成。采用透射电子显微成像技术揭示了黑杨受拉木与对应木纤维细胞壁分层结构特点,并借助532 nm共聚焦显微拉曼光谱成像（空间分辨率约为0.5 μm）及图像叠加技术在原位状态对比了受拉木与对应木纤维细胞壁主要组分分布规律、分布相关性以及细胞壁水平的孔隙分布特点。通过纤维素、半纤维素及木质素-CH非对称伸缩振动（2 942 cm-1）特征峰峰面积积分成像成功地区分出受拉木与对应木纤维细胞壁各个亚层。在此基础上采用数据归一化处理实现平均拉曼光谱中纤维素（1 094 cm-1）与木质素（1 598 cm-1）、木聚糖（904 cm-1）与木质素（1 598 cm-1）特征峰成像叠加,结果表明相比于临近的次生壁及胞间层,受拉木胶质层含有更高浓度的纤维素;与对应木相比,受拉木纤维素和木聚糖浓度在整个细胞壁形态区域呈增强趋势,木质素浓度在次生壁区域有所增强。相邻细胞壁线扫描分析结果表明沿着细胞腔向复合胞间层区域过渡时纤维素、木质素及木聚糖的浓度均呈现明显的区域选择性及梯度变化规律。特征峰积分成像得出受拉木胶质层孔隙结构最为丰富,但其次生壁及胞间层区域孔隙分布程度较对应木低。以上研究结果有助于深化对受拉木特殊理化特性及形成机制的理解,同时拓展了显微拉曼光谱技术在植物细胞壁孔隙结构研究领域的应用。     

基于共聚焦拉曼光谱技术的油菜菌核病早期判别分析

油菜菌核病是一种真菌性病害,可造成油菜产量严重减少,而快速准确地进行病原物的早期侵染对于植物病害防治意义重大。采用共聚焦拉曼光谱(500～2 000 cm-1波数范围内)技术结合化学计量学方法对油菜菌核病早期侵染进行判别分析。采用共聚焦拉曼光谱仪采集健康和接种12 h核盘菌的油菜叶片表面拉曼光谱,应用小波变换(wavelet transform,WT)进行拉曼光谱预处理以去除荧光背景。并利用基于全谱范围的偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)的回归系数(regression coefficient,RC)进行特征峰的识别,选出983,1 001,1 205,1 521,1 527,1 658,1 670和1 758 cm-1共八个特征峰用于建立PLS-DA模型进行油菜菌核病的早期侵染判别,其识别准确率为100%。结果表明：拉曼光谱技术结合化学计量学方法能够实现油菜叶片中菌核病早期侵染的检测,这为后续探究核盘菌与油菜叶片互作过程以及为进一步的病害早期监测和预防提供理论参考。     

马尾松木材褐腐降解的红外光谱研究

用傅立叶变换红外光谱(FTIR)研究了马尾松木材被茯苓褐腐菌降解过程中化学成分的变化。测量了木质素和综纤维素的相关红外吸收峰的峰高比值,用湿化学方法测定了未褐腐和不同褐腐时间木材的Klason木质素含量和综纤维素含量,分析了红外吸收峰峰高比值与Klason木质素含量和综纤维素含量的相关性。褐腐15周内,1736和1372cm-1处归属于综纤维素的吸收峰强度逐渐减弱,1510和1225cm-1处归属于木质素的吸收峰强度逐渐增强;但褐腐15周后,1736和1372cm-1处的吸收强度却开始略微增强,1510和1225cm-1处吸收强度略微下降。I1510/I1736,I1510/I1372,I1225/I1736和I1225/I1372与Klason木质素和综纤维素含量之间均存在非常好的线性相关,R2为0.96～0.99。I1736/I1510和I1372/I1510与综纤维素含量之间存在高度线性相关,R2=0.96。结果说明用红外光谱技术可以对木材褐腐过程中的综纤维素含量和Klason木质素含量进行准确分析。     

热处理柚木的红外光谱和二维相关红外光谱分析

利用红外光谱(FTIR)和二维相关红外光谱(2D-IR),对蒸汽热处理前后柚木的主要化学成分结构变化进行分析研究。结果显示,热处理后,半纤维素和木质素特征峰强度有不同程度的降低,证明热处理过程中半纤维素和木质素发生热降解。而纤维素热稳定性较好。二维光谱显示,半纤维素具有较高的热敏感性。当热处理温度提高至220℃时,半纤维素降解殆尽,木质素热敏感性高于半纤维素。     

结香纤维素与木素分布的显微激光拉曼光谱研究

显微激光拉曼光谱技术可以实现纤维素与木素在木材细胞壁中原位状态分布规律的观察研究。首先采用透射电子显微镜(TEM)研究了结香细胞壁的超微结构。进而采用显微激光拉曼光谱技术对细胞壁各层中纤维素与木素分布特点进行了原位分析测定,拉曼图像及光谱分析结果表明,纤维素与木素在细胞壁各形态区分布不均一,纤维素的分布情况与木素相反。     

基于显微拉曼光谱的稀酸预处理马尾松细胞壁解构机理研究

稀酸预处理可打破木质纤维原料天然抗降解屏障,提高后续酶解和发酵效率,从而使其更高效地转化为生物燃料,然而在亚细胞水平上纤维细胞壁的解构机理仍有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱技术与主成分聚类分析法结合,研究了稀酸预处理前后马尾松细胞壁区域化学变化特点。结果表明,累计贡献率高达94.61%的第一与第二主成分空间中光谱样本散点呈现规律性分布;聚类分析可准确提取细胞壁不同形态区域平均拉曼光谱。结合拉曼成像分析发现,细胞角隅木质化程度高,含有较多木质素,次生壁木质化程度低,含有较多碳水化合物。稀酸预处理导致马尾松细胞壁发生了不均一解构,其致密空间结构被破坏,次生壁中碳水化合物典型特征峰2 890 cm-1处信号强度降低了26.9%,表明碳水化合物从该区域大量脱除;碳水化合物在复合胞间层少量脱除,而细胞角隅则出现了其轻微富集。木素在稀酸预处理后发生了重新分布,细胞角隅区拉曼信号显著增强。碳水化合物(主要为半纤维素)的溶出及木质素的重新分布削弱了生物质原料的抗降解性,有利于后续酶解糖化。该研究不仅提供了一种快速、高效的纤维细胞壁区域化学分析方法,还为林木生物质高值转化的研究奠定了重要的理论基础。     

共聚焦显微拉曼光谱在木质纤维细胞壁预处理中的应用进展

在能源紧缺和环境恶化的双重压力下,利用农林生物质替代化石资源生产生物燃料、生物基化学品和材料逐步发展成为世界范围内的研究热点,而细胞壁中纤维素、半纤维素、木质素以及其他少量组分的空间分布不均一性和化学结构复杂性构成了天然抗降解屏障,严重阻碍生物质的转化效率,因此需要对木质纤维原料进行预处理,以期破坏细胞壁的宏观壁垒,实现生物质的低成本高效转化。在此过程中,全面了解木质纤维细胞壁的化学组成、结构特性及其在生物质转化过程中的解构机理是高效利用农林生物质的重要前提。由于拉曼光谱具有样品制备要求低、灵敏度高、且能在原位状态下对样品进行定性、定量分析等特点,使得拉曼光谱成为研究木质细胞壁结构的有力工具。尤其与显微技术相结合时,可以同时获得木质纤维细胞壁主要组分的微区分布与超分子结构信息,实现生物质转化过程中化学组分动态变化的可视化研究。首先介绍了拉曼光谱成像的工作原理,并对纤维素、半纤维素和木质素的拉曼特征信号进行了归属。其次,总结了近几年拉曼光谱在生物质转化领域内的应用与研究进展,综述了拉曼光谱在未处理状态下以及稀酸、水热、稀碱等不同预处理过程中的分析方法,对细胞壁主要组分的分布进行表征,以揭示预处理过程中各组分的溶出过程及迁移规律,为在细胞及亚细胞水平探究预处理诱导细胞壁主要组分动态溶解机制提供了有效路径。此外,针对检测中收集的光谱数量过多、分析难等问题,文章重点介绍了主成分聚类分析法和顶点成分分析法两种拉曼数据分析方法,用于提取特征信息并对光谱进行分类研究,以深入探究特定组分的空间分布和分子结构。最后,根据上述分析展望了拉曼光谱在生物质转化领域的研究趋势,为相关研究提供技术参考。     

Characterization of the structural and dynamic changes of cell wall obtained by ultrasound-water and ultrasound-alkali treatments

It is well-known that ultrasound has been studied for its cavitation, mechanical and thermal effects. As a pretreatment technology, ultrasonic alkali treatment has attracted much attention in the field of biomass biochemical transformation. In this study, the structural and dynamic changes of wood cell walls during ultrasound-water, alkali, and ultrasound-alkali treatments were investigated by stereoscopic microscopy, confocal Raman microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, and X-ray diffraction. The results indicated that the ultrasound-water, alkali, and ultrasound-alkali treatments had the effect of removing extractives from conduits. The uniform self-shrinking samples with shrinkage conduits were obtained by the alkali and ultrasound-alkali treatments. All of the treatments affected the relative content, structure and distribution of the chemical components in the wood cell walls. Compared with water-immersion samples, the relative content of hemicellulose of the treated samples reduced from 32.31% to 7.02% for ultrasound-8% NaOH treated samples. For the signal intensity of lignin, ultrasound-water treated and ultrasound-alkali treated samples displayed a more significant reductions than the alkali treated samples in the cell wall region. The crystal zone and amorphous zone of cellulose coexisted before and after the treatment, for all of the treated samples, and particularly for the ultrasound-assisted treated samples, the crystallinity increased from 38.15% for water-immersion samples to 57.42% for ultrasound-8% NaOH treated samples.     

Soft X-ray induced chemical modification of polysaccharides in vascular plant cell walls

Scanning transmission X-ray microscopy and micro carbon X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (C-XANES) can provide quantitative information regarding the distribution of the biopolymers cellulose, hemicellulose, and lignin in vascular plant cell walls. In the case of angiosperms, flowering plants, C-XANES may also be able to distinguish variations in lignin monomer distributions throughout the cell wall. Polysaccharides are susceptible to soft X-ray irradiation induced chemical transformations that may complicate spectral analysis. The stability of a model polysaccharide, cellulose acetate, to variable doses of soft X-rays under conditions optimized for high quality C-XANES spectroscopy was investigated. The primary chemical effect of soft X-ray irradiation on cellulose acetate involves mass loss coincident with de-acetylation. A lesser amount of vinyl ketone formation also occurs. Reduction in irradiation dose via defocusing does enable high quality pristine spectra to be obtained. Radiation induced chemical modification studies of oak cell wall reveals that cellulose and hemicellulose are less labile to chemical modification than cellulose acetate. Strategies for obtaining pristine C-XANES spectra of polysaccharides are presented.     

13C CPMAS studies of plant cell wall materials and model systems using proton relaxation-induced spectral editing techniques

The solid state 13C CPMAS NMR spectra of plant cell walls are often complex owing to superposition of resonances from different polysaccharides and the heterogeneity of the cell wall assembly. In this paper, we describe the application of a set of proton relaxation-induced spectral editing (PRISE) experiments which combine 1H relaxation properties (T1, T1rho, T2) with 13C high resolution spectroscopy (CPMAS) to relate the dynamics of the plant cell walls and model systems to their domain structural details. With PRISE it has been found that in plant cell wall materials, cellulose is always associated with the long components of spin-lattice relaxation in both the laboratory and rotating frames whereas non-cellulose polysaccharides (pectin and hemicellulose) are associated with the short ones. For the proton T2 relaxation, cellulose is only associated with the short component (below 20 micros), pectin contributes to both the short component and the long one.     

基于共聚焦显微拉曼的真菌菌丝中几丁质的原位检测研究

几丁质是真菌细胞壁中一种重要的结构多糖,本文首次采用共聚焦显微拉曼技术对山茶刺盘孢菌的气生菌丝进行原位检测研究,首先确定了采集菌丝拉曼光谱的最优实验参数,并获得了菌丝,几丁质标准品和背景三种物质的典型拉曼光谱,对其中的特征峰进行归属分析,发现菌丝光谱中有明显的几丁质特征峰。然后对置于载玻片上菌丝的感兴趣区域进行拉曼光谱面扫描,通过主成分分析法发现面扫描区域中,菌丝和背景两种信号可以明显区分开来,结合主成分的载荷因子图得到了菌丝的两个主要的特征差异峰1 622和1 368 cm-1,1 622 cm-1属于菌丝中几丁质的特征峰,而1 368 cm-1是来源于菌丝中的果胶多糖。最后通过对几丁质在1 622 cm-1特征峰波段附近范围积分,绘制了几丁质在菌丝中二维和三维的化学成像图,直观且无损的再现了几丁质在菌丝中的空间分布。     

Analysis of self‐repair mechanisms of Phaseolus vulgaris var. saxa using near‐infrared surface‐enhanced Raman spectroscopy

We used surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) to investigate ultrastructural changes in cell‐wall composition during the self‐repair of lacerated hypocotyls of Phaseolus vulgaris var. saxa. A detailed study of self‐repair mechanisms requires localized information about cell‐wall structure and morphology in addition to the chemical cell‐wall composition. Characteristic Raman and SER spectra yielded two‐dimensional maps of cross sections of P. vulgaris var. saxa visualizing chemical compositions in the walls of different cell types and during various repair phases. SERS substrate particles were produced by the reduction of gold chloride on the plant tissue surface and characterized with absorption spectroscopy, scanning electron microscopy and energy‐dispersive X‐ray spectroscopy. The SERS results were compared with stained cross sections of the same plant using dark‐field microscopy with focus on lignin and suberin contents in repairing cells. In addition, SERS measurements revealed Au cyanide compounds on the cell surface, indicating the formation of hydrogen cyanide during the self‐repair phase. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.