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。     

离子交换纤维的红外光谱研究

合成了离子交换纤维交研究了它们的红外光谱，得到了一些有价值的结果。     

拉曼光谱在植物细胞壁研究中的进展

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。     

显微红外光谱在摩擦学中的应用

用显微红外光谱测定了羟基植物油脂肪酸在摩擦过程中生成聚酯的特征吸收峰υc^as-o-c的波数，由聚酯的折合质量分析了特征吸收峰υc^as-o-c的波数位移，据此导出了羟基植物油脂肪酸的抗磨性顺序规律与振动吸收峰位置的内在联系，合理解释了υc^as-o-c从小到大的顺序（13，14－二羟基廿二酸＜13（14）－羟基廿二酸＝9，10－二羟基十八酸＜9，10，12－三羟基十八酯＜9（10）－羟基十八酸）与羟基酸的抗磨性从好到差的顺序（13，14－二羟基廿二酸＞13（14）－羟基廿二酸＝9，10－二羟基十八酸＞9，10，12－羟基十八酸＞9（10）－羟基十八酸）的一致性。13，14－二羟基廿二酸形成网状取酯膜，9（10）－羟基十八酸形成线状聚酯膜。     

光谱技术在司法鉴定纺织纤维中的应用

在司法鉴定领域对两位当事人身上织物(YB1, YB2)与现场发现纤维(JC)进行纺织纤维一致性比对,采用电子显微镜(SEM)观察了YB1, YB2和JC的形貌特征,通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(FTIR-ATR)检测和分析了三种样品的分子结构,发现YB1与JC的特征峰位基本一致,YB2与JC有明显差异。为了更准确地确定纤维的类型,采用激光共聚焦显微拉曼(Micro-Raman)光谱技术,观察和聚焦到纤维细节进行精准检测,判别出YB2是包含纤维素纤维和涤纶PET的混合纺织纤维,凸显Micro-Raman光谱技术在复合纤维司法鉴定中实现无损、精准检测的重要作用。     

红外光谱在纤维质文物材料鉴别中的应用研究

纺织纤维和纸张纤维是常见纤维质文物材料, 是构成博物馆精美文物如服饰手稿书画的基本材料, 近年来寻求通过无损或微损方法对这一类材料的鉴别以及劣化状况评价备受文物鉴赏家和文物保护工作者的关注。借助傅里叶变换红外光谱, 研究博物馆常见纺织纤维材料棉、麻、桑蚕丝、柞蚕丝、羊毛的红外光谱特征和它们的分子结构组成异同, 研究传统纸纤维稻草、麦草、龙须草、龙旗松、桑皮红外光谱特征。结果表明: 衰减全反射傅里叶变换红外光谱无损分析技术可通过比较3 300～2 800 cm-1 CH, NH, OH振动区间光谱形状以及指纹区峰位以区别不同种类纺织品纤维;碳氧振动纸张纤维最明显光谱差异位置出现在与纤维素OH伸缩振动相关波数3 300 cm-1和与C—O—C相关波数1 332, 1 203, 1 050 cm-1。文章探索研究红外光谱技术结合主成分分析法在快速鉴别纤维材料中的应用。通过对全光谱数据多元散射校正(MSC)预处理后进行主成分分析, 可以把红外光谱十分相似的纺织纤维棉和亚麻、桑蚕丝和柞蚕丝明显分类;对光谱相似的纸纤维, 可采用选择不同光谱波数段进行主成分分析, 比较发现能够把五种纸纤维明显区分的光谱区间为3 800～2 800 cm-1。本研究为分子光谱无损分析技术应用于文物材料鉴别、科学评估纤维材料保存状况提供基础研究。     

红外光谱在纤维质文物材料鉴别中的应用研究

纺织纤维和纸张纤维是常见纤维质文物材料,是构成博物馆精美文物如服饰手稿书画的基本材料,近年来寻求通过无损或微损方法对这一类材料的鉴别以及劣化状况评价备受文物鉴赏家和文物保护工作者的关注。借助傅里叶变换红外光谱,研究博物馆常见纺织纤维材料棉、麻、桑蚕丝、柞蚕丝、羊毛的红外光谱特征和它们的分子结构组成异同,研究传统纸纤维稻草、麦草、龙须草、龙旗松、桑皮红外光谱特征。结果表明：衰减全反射傅里叶变换红外光谱无损分析技术可通过比较3 300～2 800 cm-1 CH,NH,OH振动区间光谱形状以及指纹区峰位以区别不同种类纺织品纤维;碳氧振动纸张纤维最明显光谱差异位置出现在与纤维素OH伸缩振动相关波数3 300 cm-1和与C—O—C相关波数1 332,1 203,1 050 cm-1。文章探索研究红外光谱技术结合主成分分析法在快速鉴别纤维材料中的应用。通过对全光谱数据多元散射校正(MSC)预处理后进行主成分分析,可以把红外光谱十分相似的纺织纤维棉和亚麻、桑蚕丝和柞蚕丝明显分类;对光谱相似的纸纤维,可采用选择不同光谱波数段进行主成分分析,比较发现能够把五种纸纤维明显区分的光谱区间为3 800～2 800 cm-1。本研究为分子光谱无损分析技术应用于文物材料鉴别、科学评估纤维材料保存状况提供基础研究。     

红外光谱在微藻领域的应用研究进展

微藻富含类胡萝卜素、维生素、蛋白质、多不饱和脂肪酸等多种人体和动物所必需的营养成分，同时在水生态系统的维持和保护中也扮演着重要的角色，因此开展微藻生物学的研究具有十分重要的实际应用价值。传统的微藻成分的检测分析需要经过微藻细胞研磨破碎、有机溶剂分离提取、液(气)相检测等一系列的繁琐的操作步骤，有费时、需要高昂的仪器设备、操作过程复杂等缺点，因此需要发展更加快速高效的微藻细胞组分检测分析技术。红外光谱作为一种高效的物质检测和分析手段可以实现对微藻样品中的蛋白、脂类、核酸、多糖、叶绿素、类胡萝卜素等多种成分同时分析，具有简单、快速和无损检测等优势，特别是结合显微镜技术的红外光谱成像可以在微空间尺度上研究单一细胞或组织中各组分的变化。近年来，尤其是随着同步辐射技术的迅速发展，为红外光谱仪器提供质量更好、能量更高的同步辐射光源，使得红外光谱显微光谱及成像检测技术具有更高的灵敏度和空间分辨率，实现了能够在细胞和亚细胞尺度上对个体进行高空间分辨的原位观测，这在一定程度上解决了许多常规的检测分析技术不能同时兼顾高通量测量和高空间分辨率观察之间的矛盾。首先介绍了红外光谱技术的原理及其特点并分析了显微红外光谱及成像技术在生物样品检测中的独特优势，特别介绍红外光谱结合化学计量学的分析方法在生物学研究领域的应用。接下来综述了此项技术在分类鉴定、生长代谢监测、育种、水环境、食品医药等与微藻相关领域国内外的应用研究进展。比如，结合化学计量学方法红外光谱能够进行微藻的快速鉴定、判别和分类。利用红外光谱多组分快速检测的优势，可以实现微藻生长代谢的研究。基于红外光谱无损、高效检测的特点，可以实现油脂、β-胡萝卜素、虾青素等高产藻株的快速筛选。另外，微藻还可以有效地吸附废水中的重金属和有机活性染料，利用红外光谱可以对其吸附和降解环境污染物的机理进行研究。红外光谱还能够快速高效地实现微藻成分的分析和鉴定，因而可以用于微藻食品药品质量的检测和真伪的鉴定。然而，红外光谱在微藻的研究和应用方面还处于发展阶段，尚存在着一定的缺点和不足，对此进行了讨论和分析并提供了相应的解决方案。最后，对红外光谱在微藻的规模化养殖、高产藻株的筛选、微藻的生理、细胞器的结构和功能的研究等领域进行了展望。     

含油岩心显微红外光谱成像方法的研究

虽然用红外光谱显微探针方法研究岩心中碳质物已有很多工作,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别位点所得的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别并已得到广泛应用,但是用红外显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用透射和衰减全反射(ATR)两种方式对含油岩心进行了显微红外光谱成像(Mapping)的研究。从灵敏度、信噪比、光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得实验结果进行了比较和评估。     

基于纳米红外技术的竹材细胞壁化学成分研究

为了深入认识竹材细胞壁的精细结构,揭示竹材细胞壁的独特构造,首次应用纳米红外技术(AFM-IR)研究竹材纤维细胞壁的化学成分及其分布,探讨纳米红外技术在竹材细胞壁化学物质分布的研究方法。结果表明,利用纳米红外技术可以实现原位状态下对竹材纤维细胞壁的化学组成进行分析,突破了传统红外光谱技术的衍射极限,获得纳米级的红外光谱;纳米红外技术采集的光谱与显微红外技术相比,谱峰位置基本相同,能正确反映竹材细胞壁的化学信息;纳米红外技术是竹材细胞壁化学成分纳米分布的有效研究方法。     

豚鼠原发性骨关节炎的关节软骨显微傅里叶变换红外光谱研究

应用显微傅里叶变换红外光谱技术原位分析雌性Hartley豚鼠胫骨关节软骨的化学组成。红外光谱测定包含三种月龄(1月、2月和3月)和3个软骨层次(表层、中层和深层)。结果表明,随着月龄的增加,表层和中层FTIR光谱的主要吸收峰峰位红移,深层吸收峰先红移后蓝移。软骨中胶原蛋白、核酸和蛋白多糖的红外光谱具有如下特征：峰强比I_{1 657}/I_{1 548},I_{1 074}/I_{1 548}和I_{1 074}/I_{1 237}在软骨表层和中层随月龄递降,而在软骨深层2月龄的比值最低。结果符合关节软骨在不同退变阶段化学成分的变化规律,且显微光谱成像技术转化的各月龄胫骨平台二维图像高度符合相应的病理描述。初步研究显示,显微FTIR技术可原位分析不同层次软骨组织的分子组成,能为研究软骨疾病的发病机理提供可靠信息。     

在监测固相反应过程中显微红外和漫反射红外光谱方法的比较

文中利用傅里叶红外显微镜和漫反射红外光谱监测聚苯乙烯磺酰氯树脂与乙醇胺在不同温度下的反应程度,对两种方法进行了比较。结果证明漫反射红外光谱是简单有效的方法,而显微红外光谱是研究单个树脂小球之间差异的有效手段。     

Use of Infrared Microspectroscopy in Plant Growth and Development

Abstract

Infrared microspectroscopy (IMS) has emerged as a key technique for the study of plant growth and development. The combination of IMS and synchrotron radiation has enabled researchers to analyze plant development at a cellular level. The spatial distribution of functional groups in plant tissue can be determined by the “chemical imaging” ability of IMS. Attenuated total reflectance (ATR) and polarized IR spectroscopies in combination with IMS makes sampling rapid and easy, providing direct analysis in situ. This review covers applications of IMS to study cell wall architecture and the major cell wall components: lignin, cellulose, and polysaccharides; applications for agricultural and feed products; and changes to plant structure due to biotic and abiotic stressors.     

癫痫大鼠海马神经元生化分子的同步辐射显微红外光谱成像研究

癫痫是影响所有年龄段的慢性脑功能障碍,主要特征为整个或局部脑区神经元异常同步化高频群集动作电位发放。利用神经毒素海人藻酸（KA）立体定位注射入大鼠海马,诱导大鼠产生癫痫持续状态,建立颞叶癫痫大鼠模型。应用同步辐射显微光谱和同步辐射显微光谱成像分析癫痫持续状态发作后24小时的颞叶癫痫大鼠海马角（CA）1区神经元生物化学分子的胞内浓度和分布是否改变。结果显示反映蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ在1 655 cm-1的振动频率和属于脂类功能集团的2 800～3 000 cm-1振动频率,在正常对照大鼠海马CA1神经元胞体内呈高浓度分布,但在癫痫大鼠海马CA1神经元胞体,反映蛋白质二级内呈低浓度分布,并且以细胞核分布浓度最低,但在神经元胞体外围分布浓度相对较高。属于核酸集团的1 055～1 054 cm-1 PO₂反对称拉伸振动在正常和癫痫大鼠海马CA1神经元胞体内分布趋势没有差异,都在胞体内呈高浓度分布,尤其在细胞核分布浓度最高。对属于酰胺Ⅰ的吸收频率进行二级导数分析显示癫痫海马神经元的酰胺Ⅰ相对于正常对照多出1个1 653 cm-1附近的负峰。以上结果提示在发生癫痫持续发作后海马神经元生物化学分子的细胞分布会出现变化。     

傅里叶变换红外光谱测量热气体温度新方法初步研究

详细地讨论了分子转振光谱理论,总结了影响分子转振光谱结构和强度分布的因素,得知各谱线相对光谱强度(即归一化光谱)只与温度有关,其分布结构与温度一一对应。根据这种特性,文章提出了一种利用傅里叶变换红外光谱测量热气体温度的新方法。从HITRAN标准数据库中提取数据建立了一个测温数据库,并用4个不同温度的实测光谱数据对建立的测温数据库进行定标和检验。用定标后的测温数据库所得的测量温度与实测温度吻合得非常好。与目前常用的两种遥感测温方法(分子发射基带最大强度光谱测温法,分子转振光谱测温法)相比,该方法的优点是：物理过程简单,容易计算,精度高,是一种简单实用的方法。     

低能离子注入宫颈癌细胞的红外光谱分析

利用离子注入机所产生的低能N+模仿宇宙中低能离子作用于人宫颈癌细胞(HeLa cell),探索其对人类细胞的影响及作用机制。因实验中的低能离子产生和加速要在真空中进行,细胞在离子注入同时将受到真空的影响,为此研究人员利用石蜡油保护细胞以防止注入时的水份蒸发。注入处理完毕后收集细胞,采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)分析真空和低能N+束注入后细胞中大分子的相对含量、构型及其构象变化等方面的信息。结果表明：(1)不同处理后的样品在3 300 cm-1附近吸收谱带存在明显差异。对照样品的特征峰位为3 300 cm-1,而其他样品中除了注入5×1014 N+·cm-2外,红外吸收峰均向长波数方向移动,真空2×1015 N+·cm-2样品的频移尤为明显至3 420 cm-1处。(2)与对照样品相比较,各处理样品的1 378 cm-1处吸收峰峰位均向长波数方向频移。(3)处理样品相对于对照样品而言,2 360 cm-1处吸收峰均向长波数方向移动。该结果说明低能离子注入处理可以引起细胞中核酸、蛋白的含量和构象变化。     

基于细胞红外光谱预测乙酰化细胞的辐射敏感性

组蛋白乙酰化是表观遗传修饰的一种重要方式。肿瘤细胞的组蛋白大部分呈现低乙酰化状态,而组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor,HDACi）可以增加肿瘤细胞的乙酰化水平,诱导细胞周期阻滞及凋亡。曲古菌素A （trichostatin A,TSA）是组蛋白去乙酰化酶抑制剂的代表药物之一,能够提高肿瘤细胞组蛋白和非组蛋白的乙酰化水平。傅里叶变换红外（Fourier Transform Infrared,FTIR）光谱可以对无染色、无标记的生物样品进行无损检测,具有特征性明显、快速、分辨率高、重复性好等优点,已被广泛用于细胞的微观生物过程的研究。本文利用红外光谱技术结合免疫荧光技术的手段,研究TSA处理细胞后的乙酰化作用效果,发现红外光谱中甲基与亚甲基的伸缩振动强度之比能够表征细胞内的乙酰化水平变化,然后基于红外光谱的分析结果预测了乙酰化状态不同的细胞辐射敏感性的变化。结果表明,乙酰化细胞的辐射损伤效应可以通过甲基与亚甲基的伸缩振动强度之比进行评价,且该比值与细胞的辐射敏感性呈正相关,表明红外光谱技术可以辅助预测细胞的辐射敏感性,并进行细胞表观遗传学特征与辐射效应关系的研究。Histone acetylation is one of important epigenetic modifications, and histone in most of tumor cells shows low acetylation state. However, histone deacetylase inhibitor (HDACi) can correct abnormal acetylation status, induce cell cycle arrest and apoptosis. Trichostatin A (TSA) is one of the representatives of histone deacetylase inhibitors, which can inhibit histone deacetylase, increase the acetylation level of histone and nonhistone in cell. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy is a powerful analytical tool which can detect nondestructively, quatitatively and quantitatively biological samples without bio-tagging and bio-labeling. FTIR spectroscopy technology has multiple advantages, including finger-print characteristics, rapid analysis, high resolution and good repeatability. Therefore, it has been widely used in the research of biological processes. This work applied FTIR spectroscopy to study the changes in cells treated with TSA, compared the acetylation level according to FTIR intensity ratio of methyl to methylene stretching vibration, and based on the FTIR analysis predicted the radiosensitivity of the cells with different acetylation levels. As a result, we have verified that the damage caused by radiation in acetylated cells can be evaluated by the ratio of methyl and methylene intensity which is positively correlated with cellular radiosensitivity. Therefore, this work demonstrates that FTIR spectroscopy can be useful for the prediction of radiosensitivity and may also open a door for the study of relationship between epigenetics and radiation bio-effects.     

显微红外光谱法研究豚鼠膝关节软骨下骨的增龄性改变

应用显微FTIR技术原位分析雌性Hartley豚鼠随月龄增加胫骨关节软骨下骨的化学变化。红外光谱测定三种月龄(1月、2月和3月)豚鼠软骨下3个不同吸收颜色的骨小梁区(a,b,c)和中央骨髓区(d)。结果显示：(1)随月龄增加,骨小梁总面积增加,与正常骨小梁谱图相似的a区减少,d区波形有逐渐向a区发展的趋势。(2)2月龄和3月龄的b和c区AmideⅢ红移以c区红移显著并且变成肩峰,代表核酸和多糖的吸收峰峰强是a区的7倍。(3)三种月龄的c区均出现了β型糖苷键吸收峰。(4)I_AmideⅠ/I_AmideⅡ在2月b区最大,3月各区最小,I_AmideⅢ/I_AmideⅡ 在 2月、3月由a到c依次降低,I_νsPO-₂/I_AmideⅡ在2月、3月的b和c区较相应a区高7倍以上。结果符合骨关节炎不同阶段软骨下骨的组织结构及化学组成的变化规律。初步研究表明,显微光谱成像技术结合FTIR可原位分析不同区域的软骨下骨小梁和骨髓的分子组成,为骨关节炎软骨下骨组织病理学的分子水平研究提供了可靠信息。     

镍、镉对生物膜损伤机理的FTIR研究

本文采用傅里叶变换红外（FTIR）漫反射光谱技术，研究比较了镍与镉对人类红细胞膜的联合损伤作用，同时对其作用机制进行了探讨。通过观察分析两金属与红细胞膜作用前后细胞膜红外光谱中1742、1662、1636、1556、1464、1405和1389cm-1等吸收峰的变化，表明两金属离子单独或同时存在均可使膜蛋白质发生变性和不可逆聚合、使膜脂质发生相变以及可能的重金属离子与蛋白质分子中-COOH侧链成盐等分子改变。实验还表明镍、镉对细胞膜的作用机制是类似的，联合作用时两金属离子可能协同引起细胞膜的损伤。