国际团队在纳米尺度上可视化植物细胞壁的特性

为了优化生物材料以实现可靠、经济高效的造纸、建筑施工和生物燃料开发，研究人员经常使用冷冻植物样品或将它们置于真空中等技术来研究植物细胞的结构。这些方法提供了有价值的数据，但通常会对样品造成永久性损坏。

一个物理学家团队，包括能源部橡树岭国家实验室的研究科学家 Ali Passian 和法国国家科学研究中心 (CNRS) 的研究人员，使用最先进的显微镜和光谱学方法提供无损检测备择方案。使用一种称为散射型扫描近场光学显微镜的技术，该团队在不损坏样品的情况下检查了年轻杨树细胞壁的组成。

但团队还有其他障碍需要克服。尽管众所周知，由于存在复杂的聚合物(例如微纤维)，植物细胞壁难以导航——Passian 将生物质细线描述为相互缠绕的面条线的迷宫——但该团队达到了优于 20 纳米或大约一千倍的分辨率比一根人的头发还小。这种详细的视图使研究人员能够首次跨大小区域检测植物细胞材料的光学特性，甚至可以检测到单个微纤维的宽度。他们的研究结果发表在Communications Materials上。

“我们的技术使我们能够在纳米尺度上观察样品的形态、光学和化学特性——所有这些都在同一个测量范围内，”Passian 说。

除了 ORNL 和 CNRS，该团队还包括来自艾克斯-马赛大学、马赛跨学科纳米科学中心和菲涅尔研究所以及德国 Neaspec GmbH 的研究人员。

“到目前为止，这些光学特性不是在原位测量的，而只是从提取的成分中测量出来的，这些成分不能提供结构和化学特性方面的信息，”菲涅尔研究所研究员 Aude Lereu 说。

通过使用他们的测量技术在杨木细胞壁的一个区域获得一系列详细图像，研究小组还观察了木质素和纤维素等结构聚合物的分布，它们是充当生物“骨骼”的硬质物质。系统，可以提取并转化为生物燃料和生物产品。

这些数据可用于改进使用酸或酶的化学处理，以提高聚合物产量并防止生物材料在暴露于真菌或湿度等外部因素时降解。由于杨树样品已经经过去木质化过程，研究人员能够查明无害和潜在有害的成分变化。

“在改变材料时，重要的是要准确监测它在分子水平上的变化，”帕西安说。“通过将我们的技术应用于经过预处理的杨树标本，我们能够研究样本，同时跟踪可能影响其生存能力的任何变化。”

研究人员选择杨树作为代表系统，因为这些树生长迅速且几乎不需要维护，但杨树上使用的技术可以提供许多其他植物的类似详细数据，研究人员可以使用这些数据来提高治疗效率和设计理想的生物材料。

“我们的技术表明，某些类型的木质素在去木质化过程中并未完全去除，这些数据有助于优化过程并有助于更好地了解木质素的顽固性，”Lereu 说。

该技术还可以证明对增材制造或 3D 打印领域是有益的，它涉及堆叠材料层以创建从假鱼到航天器组件的各种物体。在印刷过程中，Passian 将其描述为在带有糕点袋的蛋糕上滚边结霜的更复杂版本，测量技术可以增加一层质量控制，以最大限度地减少人为错误、纠正材料分布并实时去除任何污染物。

获得植物细胞细微变化的前排座位是一项挑战，但 Passian 预计将量子力学原理纳入显微镜实验可能使研究人员能够在不损坏精细生物样本的情况下获得更近距离的观察。

“在未来，量子科学可以帮助绕过经典技术的障碍，进一步提高这些测量的分辨率，”他说。

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