植物细胞壁中成分分析检测方案(激光拉曼光谱)

马书荣应用工程师 ThermoFisher Scientific 关键词 拉曼成像，细胞壁，成分分布 引言 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的生物燃料、生物基材料等已成为关注的热点。农林生物质主要包括农作物秸秆、农产品加工废弃物、林木及林业生产加工产品的废弃物等，全面了解不同来源的植物细胞壁化学组成、结构特性及微区分布规律是高效利用农林生物质的基础。拉曼光谱是一种分子振动光谱技术，样品无需或很少制备样品，无需染色，无惧水，可多次重复的进行定性、定量及结构分析。尤其是共焦显微拉曼成像的技术发展，可采用直观的化学图像显示样品的化学成分和空间分布信息，为细胞结构和生物质产品性能研究提供有效帮助，已经在植物细胞壁研究中引起了关1注，并取得一系列重要的研究成果。 DXR2xi显微拉曼成像光谱仪是新一代超高灵敏度快速成像拉曼产品，具有先进的成像技术，具备可视化超快速图像采集、实时同步优化的成像数据处理系统级智能化特征识别与多组分自动分析鉴别等功能强大的分析软件，轻松实现微纳米尺寸样品的分析。是用于植物细胞壁研究的一种快速、可靠、准确的有力工具。 图1.a)结香显微切面的TEM图[1]； b)杉木细胞壁显微图像 木材细胞壁成像分析 植物细胞壁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。植物细胞壁(如图1所)示自外至里依次是初生壁 (primarywall，P)和次生壁(secondary wall， S1， S2和S3)，两个细胞之间存在一个共同的胞间层(middlelamella， ML)，在3-4个细胞之间存在一个共有的区域-细胞角隅(cell corner，CC) . 分析纤维素和木质素在细胞壁不同区域的分布，研究木材转变过程中化学成分的变化。选取杉木晚材(切片厚度15um)中的一个细胞(图 b)，进行成像分析木质素和纤维素的分布(图2)。获取成像区域S2， CML和CC区的平均拉曼光谱，如图3所示。其中1600cm1附近的特征峰归属于木质素结构苯环的对称伸缩振动，特征峰2945cm1主要是木素中甲氧基的C-H伸缩振动引起，主要分布在CC区，其次是CML区， 而S2层分布的浓度最低，如图2A和D。特征峰2894cm-1主要是纤维素中亚甲基的C-H伸缩振动引起，1094cm-1是纤维素中C-O-C糖苷键的非对称伸缩振动峰主要分布在S2层， 而CC区分布浓度最低，如图2B和C。通过这些物质特征峰的化学成像分析，反映了木质素和纤维素在细胞壁中的组分分布。 图2.A：木质素的分布，以1600 cm1(1550 cm1-1640 cm1)为中心的特征峰分布； B：纤维素分布1094 cm1(1090cm1-1105 cm-1)为中心的特征峰分布； C：纤维素分布2894 cm1(2780 cm1-2900 cm1)为中心的特征峰分布； D：木质素分布2945 cm1 (2820cm1-3000 cm1)为中心的特征峰分布 图3.细胞壁次生壁层(S2层，红色光谱)，胞间层(CML，黄色光谱)和角隅区(CC，蓝色光谱)的拉曼光谱 玉米秸秆细胞壁成像分析 玉米秸秆早材切片厚度约3um， 将切片放置在平整的硫化锌基底上。选取图4所示位置进行拉曼成像分析木质素在细胞壁中的分布情况。其中红色区域为木质素相对浓度较高区域，绿色区域为浓度相对较低的分布，蓝色区域为基底。分析成像位置的拉曼光谱(图5)，其中蓝色区域硫化锌的拉曼特征信号在600cm²1以下。即使样品很薄，对样品的信号也几乎没有干扰。S2层和CC区的光谱相比，主要在木质素特征峰1600cm²1和2945cm²1，以及纤维素特征峰2894cm1有明显的差别。木质素主要在CC区的浓度高于S2层。 图4.厚度3um的玉米切片细胞壁：左图，白光图像；右图，木质素(1600cm1)的分布 图5.次生壁层(S2层，蓝色光谱)，角隅区(CC，红色光谱)及基底(绿色光谱)的拉曼光谱 西红柿细胞壁中多糖的分布 不同糖的结构不同，在拉曼光谱中有其特征性的拉可对常见食品如西红柿细胞壁中的多糖分布进行研究。如图6所示，其中A， B， C和D分别是从西红柿胞胞壁中提取的纯物质果胶、木葡聚糖和纤维素的拉曼光谱以及西红柿细胞壁的综合拉曼光谱。果胶在850cm1附近有非常显著地特征峰，纤维素在1098cm1附近有较强的C-O-C糖木葡聚糖和纤维素等多种糖的综合信息。据此，采用拉曼成像分析细胞角隅区域的糖组分分布，如图7所示，果胶和纤维素在细胞壁中的分布不同。其中红色区域为高浓度区，绿色区域为低浓度区域，蓝色区域无分布。 图6.提取的果胶，木葡聚糖和纤维素及西红柿细胞壁的拉曼光谱 图7.多糖在西红柿角隅区的分布：A，白光图像；B，初生壁多糖分布2940cm1； C， 果胶分布，854cm-1； D，纤维素分布，1090cm1 小结 本文采用DXR2xi显微拉曼成像光谱仪分析不同植物的细胞壁，不仅能同时快速测定细胞壁中主要成分的化学结构，还能准确测定纤维素、木质素、果胶等在细胞壁各形态区的分布变化规律，获得的化学/结构信息为植物的生长过程和材质改性(物理、化学、生物化学)提供理论依据，为可降解生物质材料的高效利用提供基础指导，在植物细胞水平研究中发挥着重要的作用。 ( 参考文献 ) ( [1].张智衡，马建锋，许凤.光谱学与光谱分析， 2012，32(4)：1002-1006. ) ( [ 2]. Chyli n ska et a l . Plant Methods 2014， 1 0：14 ) @2016赛默飞世尔科技。版权所有。所有商标属于赛默飞世尔科技及其子公司。规格、条款和定价或按情况改变。不是所有的国家都能购买到所有的产品。欲知详情，请咨询您当地的销售代表。 赛默飞世尔科技 SCIENTIFIC 热线电话：ales.cad@thermofisher.comwww.thermofisher.comSCIENTIFICPart of Thermo Fisher Scientific 植物细胞壁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。植物细胞壁（如图1[1]所）示自外至里依次是初生壁（primarywall，P）和次生壁（secondary wall，S1，S2和S3），两个细胞之间存在一个共同的胞间层（middlelamella，ML），在3-4个细胞之间存在一个共有的区域-细胞角隅（cell corner，CC）。