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。     

黄藤细胞壁微纤丝取向偏振光拉曼光谱研究

采用532 nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。在高数值孔径（NA=1.25）物镜测试条件下,C-H伸缩振动（2 771~3 000 cm-1）特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、复合胞间层以及次生壁。进一步发现纤维细胞次生壁呈宽窄交替的同心层状结构,而导管次生壁无明显的分层结构。采用平行于细胞径向壁的拉曼偏振激光进行光谱成像发现纤维细胞次生壁窄层纤维素C-O-C（1 097 cm-1）拉曼信号强度明显高于宽层,即窄层中微纤丝取向更加平行于入射激光偏振方向,与细胞轴夹角更大,而导管次生壁中微纤丝取向较为均一。细胞壁不同形态区域拉曼光谱分析发现纤维素C-O-C特征峰以及CH和CH₂特征峰的拉曼信号强度与入射激光的偏振方向存在明显的相关性。当入射偏振激光的电矢量方向从平行变化到垂直于微纤丝方向时,其糖苷键C-O-C非对称伸缩振动信号减弱,而CH和CH₂的取向在与入射偏振激光的电矢量方向垂直时,其拉曼信号强度相较于平行状态略微降低,表明纤维素特征峰中的糖苷键C-O-C的非对称伸缩振动比CH和CH₂伸缩振动对拉曼偏振光的方向改变更为敏感。比较纤维细胞宽层与窄层的拉曼光谱发现径向次生壁窄层1 097 cm-1处拉曼信号强度明显高于弦向次生壁窄层,而径向次生壁宽层的2 897 cm-1处拉曼信号强度低于弦向次生壁宽层。拉曼特征峰比值（I_{1 095}/I_{2 897}）可用来定性研究细胞壁微纤丝角,结果发现这一比值在导管次生壁、纤维细胞窄层和纤维细胞宽层中分别为1.32~1.10,0.92~0.55和0.42~0.33,表明导管次生壁具有最大的微纤丝角,纤维细胞窄层次之,宽层最小。该研究为解析藤材细胞壁骨架空间结构、化学成分分布以及微力学特性提供了新型的分析手段和重要的理论指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

可见光显微分光光度法测定毛竹发育过程中木素微区分布

运用光学显微镜和可见光显微分光光度计以及组织化学染色对毛竹发育过程中的木质素微区分布进行了研究。木质素在各组织中均有分布,其含量因竹龄,组织及细胞壁微区不同而有差异。细胞壁各微区中存在愈创木基(G)和紫丁香基(S)两种木质素组成单元。纤维次生壁,细胞角隅区和复合胞间层的木质素含量12个月内逐渐增加,而后变化较小,但是各微区的木质化速率因竹龄变化而变化。同一竹龄竹壁径向和纤维帽不同位置的木质素含量未有明显的规律性变化。薄壁组织次生壁,胞间层以及导管次生壁在12个月内木质化程度不断加强,而后变化较小。     

基于共聚焦显微拉曼光谱的毛竹细胞结构和成分研究

采用共聚焦显微拉曼光谱对毛竹薄壁细胞、薄壁纤维过渡细胞和纤维细胞进行研究。通过构建偏最小二乘(PLS)定量区分模型来对这三种细胞中的差异进行分析,结果表明,该区分模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.810和0.800,均方根误差(RMSE)分别为0.323和0.332。根据这一模型的回归系数,发现三种细胞的区别主要体现在1 095,1 319和1 636 cm-1三个波数,这三个波数分别为纤维素、半纤维素和木质素的指纹特征峰。以这三个波数为自变量建立多元线性回归(MLR)模型,该回归模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.644和0.643,均方根误差(RMSE)分别为0.442和0.443,表明三种细胞在这三个波数处存在明显的差异。对小波变换基线消除后的拉曼光谱信号进行化学成像分析,结果显示,纤维素微纤维与纤维轴成一个很大的角度,这一结构有利于提高细胞的弹性模量和硬度。半纤维素和纤维素微纤维通过氢键相连,并在范德华力的作用下紧密地结合在一起,因此在拉曼化学成像中可以看到半纤维素和纤维素有相似的分布规律。三种细胞的细胞角和胞间层都高度的木质化,从细胞壁外层到内层木质化程度逐渐降低,表明细胞壁的木质化从细胞角和胞间层开始,且木质化程度并不完全。     

FTIR及CLSM对转基因杨木细胞壁木质素含量及微区分布研究

通过木质素基因工程能够有效降低杨木细胞壁木质素含量,从而改善人工林杨树作为木质纤维材料的利用现状。选取C3H基因活性抑制表达的转基因杨树和其对照组杨树为实验材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)技术快速表征C3H基因表达活性降低后幼龄杨木细胞壁木质素的含量,并结合激光共聚焦显微镜(CLSM)和组织化学染色技术原位表征木质素含量微区分布变化规律。结果表明转基因杨树与对照组杨树红外谱图的形状和特征峰数目、位置基本一致,表明C3H基因活性降低并未改变杨木细胞壁主要化学成分及结构,但I_{1 508}/I_{1 379},I_{1 508}/I_{1 425}和I_{1 508}/I_{1 740}木质素特征峰高度比值结果表明转基因杨木木质素含量下降了8.2%～9.5%,峰强度的区别说明C3H基因活性抑制表达能够改变杨木细胞壁上木质素等化学组分含量;CLSM观察发现转基因杨木木质素微区分布含量均为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁,与对照组木质素呈现相同的沉积规律,且转基因杨木细胞壁木质素浓度低于对照组杨木;组织化学染色的结果同样表明杨木S单体木质素均匀分布于纤维细胞壁上,而G单体木质素微区沉积规律为纤维细胞角隅>复合胞间层>次生壁,进一步揭示了C3H基因活性的降低并没有改变转基因杨木G和S木质素单体的沉积规律,但对其纤维和导管壁上木质素单体含量分布有一定影响。     

紫外显微分光光度法测定杉木枝条木质素微区分布

在采用光学显微镜及共聚焦激光显微镜对杉木春季枝条的显微结构及其细胞壁木质素定性测量的基础上,首次在国内应用紫外显微分光光度计对其细胞壁木质素微区含量分布进行了原位测定。结果表明:杉木枝条木材管胞细胞壁木质素在不同微区部位含量分布呈不均一性,其浓度大小依次为细胞角隅胞间层、复合胞间层和次生壁,吸光度均值分别为0.489,0.307和0.278。杉木枝条其木质素定量测定与其定性观察结果是相一致的。为国内测量木材细胞壁木质素微区含量分布提供了新的测量方法。     

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。     

拉曼光谱对高地钩叶藤纤维S2层主要成分的预测

棕榈藤(rattan)属于棕榈科(Palmae)省藤亚科藤类植物,是一种产于热带森林中,仅次于木材和竹材的、重要的非木材林产品,具有很高的经济价值和开发前景。全球棕榈藤总共有13个属660余种,其中我国自然分布有4属37种5变种,但有较高经济价值的不到30种。由于目前对棕榈藤的细胞结构,尤其是藤纤维的细胞壁结构知之甚少,严重限制了对棕榈藤材的研究和加工利用。因此,为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,以高地钩叶藤(Plectocomia himalayana Griff.)为研究对象,对其基部、 2 m处、中部和梢部四个部位分别截取试样、软化、聚乙二醇包埋、切片。切片在室温下经0.2 mol·L-1的硼氢化钠(NaBH4)溶液浸泡5~6 h后用蒸馏水洗净,利用LabRam XploRA显微共聚焦拉曼光谱仪,采用逐点扫描显微探针成像方法获取光谱数据集。将获得的光谱数据利用LabSpec5软件进行处理,从而得到藤茎不同部位藤皮、藤中、藤芯处纤维细胞次生壁中层(S2)主要成分,即纤维素、半纤维素、木质素相对含量,并就相对含量在径向、轴向变异进行了分析。结果表明,在径向上,高地钩叶藤藤皮处纤维细胞S2层纤维素与半纤维素相对含量最高,木质素相对含量最低;而藤芯处纤维细胞S2层纤维素与半纤维素相对含量最低,木质素相对含量最高;藤中处纤维素、半纤维素及木质素相对含量居中。在轴向上即不同藤龄处,藤皮纤维细胞S2层纤维素和半纤维素的相对含量在2 m处最大,木质素的相对含量在梢部最大;藤芯纤维细胞S2层纤维素、木质素、半纤维素的相对含量分别在中部、 2 m处、基部处最大。藤皮、藤芯与藤茎一样,纤维细胞S2层纤维素相对含量最小值在梢部,半纤维素和木质素相对含量均在中部最少。分析可知,棕榈藤藤茎不同部位,藤纤维细胞壁中层(S2)纤维素、半纤维素及木质素相对含量是不同的。     

SEM-EDXA分析不同生长应力木材细胞壁微区木质素沉积

选取具不同生长应力水平的人工林尾巨桉(Eucalyptus uroph ylla×E.grandis)正常木为研究对象,借助场发射环境扫描电子显微镜系统,结合以溴元素做标记的X射线能谱分析技术,分析了尾巨桉细胞壁微区木质素沉积与生长应力的关系.研究结果表明,木纤维细胞壁各微区间木质素含量的大小关系与生长应力高低无关,其...     

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。     

Mechanical properties of spruce wood cell walls by nanoindentation

In order to study the effects of structural variability, nanoindentation experiments were performed in Norway spruce cell walls with highly variable cellulose microfibril angle and lignin content. Contrary to hardness, which showed no statistically significant relationship with changing microfibril angle and lignin content, the elastic modulus of the secondary cell wall decreased significantly with increasing microfibril angle. While the elastic moduli of cell walls with large microfibril angle agreed well with published values, the elastic moduli of cell walls with small microfibril angle were clearly underestimated in nanoindentation measurements. Hardness measurements in the cell corner middle lamella allowed us to estimate the yield stress of the cell-wall matrix to be 0.34±0.16 GPa. Since the hardness of the secondary cell wall was statistically not different from the hardness of the cell corner middle lamella, irrespective of high variability in cellulose microfibril angle, it is proposed that compressive yielding of wood-cell walls is a matrix-dominated process. PACS 83.80.Mc     

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。     

基于共聚焦显微拉曼光谱揭示炭疽病侵染下茶叶细胞壁变化的研究

采用共聚焦显微拉曼技术研究了炭疽病感染所致茶叶细胞壁结构和化学成分的变化。对茶叶健康和染病组织细胞进行微米级空间分辨率的显微拉曼光谱扫描,并结合透射电镜观察炭疽病侵染所致的细胞超微结构变化,结果显示染病前后细胞壁的拉曼光谱位移和强度都有明显的差异,表明炭疽病侵染导致细胞壁中化学成分发生了较大的变化。其中由纤维素,果胶,酯类化合物产生的拉曼峰强度都有明显下降,说明细胞壁中这些物质的含量在染病后减少了;而木质素拉曼散射引起的拉曼峰强度有所上升,说明木质素的含量在染病后有所增加。随后基于纤维素的拉曼指纹波数和显微空间结构信息实现了茶叶健康组织和染病组织细胞壁中纤维素的化学成像分析,结果显示炭疽病侵染不仅导致细胞壁中纤维素的含量大大减少,而且纤维素的有序结构被破坏。由此得出结论：在无需对样本进行染色或复杂的化学处理的情况下,共聚焦显微拉曼可以揭示由炭疽病侵染引起的茶叶细胞壁化学成分和结构的变化,本研究是共聚焦显微拉曼技术首次用于植物病理学中寄主-病原物互作机制的研究,将为深入研究寄主-病原物在细胞层面上的互作机制开辟蹊径。