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0.2～0.3 μm。 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。

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。

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。

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。

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1 600 cm-1(木质素)和1 170 cm-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。

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。

随着恐怖活动的蔓延, 对爆炸物的检测和溯源变得越来越重要。拉曼光谱能够提供化合物的指纹图谱, 是对物质定性分析的有力工具, 具有无损、快速、准确度高等优点, 近年来在爆炸物检测领域被广泛应用。本文介绍了共聚焦显微拉曼光谱、空间偏移拉曼光谱、表面增强拉曼光谱等拉曼光谱技术在爆炸物检测方面的应用及最新研究进展。