微晶纤维素超显微结构的扫描隧道显微镜研究

微晶纤维素超显微结构的扫描隧道显微镜研究 3 微晶纤维素超显微结构的扫描隧道显微镜研究 张玉忠刘洁高培基 () 山东大学生命科学学院微生物研究所, 济南 250100 时东霞刘宁庞世瑾 () 中国科学院北京真空物理实验室, 北京 100080 摘要 () 本文以微晶纤维素 为材料, 用扫描隧道显微镜 对其结构进行了研究, 50 S igm a ce ll typ e STM () 结果明用 可以直接观察到纤维素的基原纤丝 , 其直径为 2—3 纳米。 从表 STM e lem en ta ry f ib r il 面观察, 微晶纤维素的基原纤丝平行排列在一起, 其本身呈螺旋状, 基原纤丝进一步聚合在一起, 形成 ()微纤丝 。从横切面也观察到了基原纤丝的大小和排列。从纳米水平直接观察到基原纤丝 m ic ro f ib r il 的结构尚属首次, 是观察纤维素超显微结构的有效工具。STM 关键词 扫描隧道显微镜 微晶纤维素 基原纤丝 纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种多糖, 纤维素及其衍生物的结构长期以来一直引 起人们的密切关注, 它与植物的生物合成有关, 也与加工的过程有关。反之, 纤维素的结构对其化 学加工、改性及酶解都有很大关系, 并且纤维素在生态系统的物质循环和能量循环及国民经济中 1, 2 都有重要的作用, 因此, 研究纤维素的结构具有重大的理论和现实意义。 纤维素, 特别是天然 纤维素的超显微结构的确切认识, 几十年来高分子物理学家和形态学家都存在异议, 研究的焦点 3 是微纤丝的超微结构, 对此, 学者们提出了种种模式。但以往常用的研究手段主要是拉曼光谱、 4 () 核磁共振以及 光衍射, 得到的多是一些间接的结果; 一般的扫描电子显微镜 因其分 X SEM 辨率低, 也不可能观察到纤维素的超显微结构。自本世纪八十年代扫描隧道显微镜和原子力显微 镜发明以来, 已广泛应用于核酸、蛋白质等生物大分子的结构研究, 并已初步显示了其独特的优 5 6, 7 () 势。 我们成功地用 观察了藻胆蛋白和藻胆体的结构, 本文用扫描隧道显微镜 STM STM 对微晶纤维素的超显微结构进行了直接观察。 实验用纤维素是从 公司购买的 微晶纤维素, 将少量微晶纤维素用 50 S igm a S igm a ce ll typ e 无水乙醇悬浮, 然后滴于刚揭开的高定向石墨上, 空气中干燥。 用中国科学院化学研究所生产的 29100 扫描隧道显微镜在室温大气下进行观察, 扫描采用恒流模式, 隧道电流和偏压见图 SC TM 中说明。 文中所引用的图像未经任何平滑和滤波处理。 () () 纤维素分子在植物细胞壁中构成一种称为纤丝 的结构, 纤丝由微纤丝 f ib r ilm ic ro f ib r il组成。 微纤丝由一束沿分子长轴平行排列的纤维素分子构成。 微纤丝核心中的纤维素分子常排 () 列成三维的晶格结构。 几年前确立的概念是一种 315宽的原纤丝 或基原纤丝 nm p ro to f ib r il() , 它是用于构成天然纤维素的基础, 其中纤维素分子链通过每一原纤丝牢牢 e lem en ta ry f ib r il1 地折叠成螺旋状。图 1是微晶纤维素表面结构的 图像, 从中可以看出许多较大的束状结 a STM 构平行排列在一起, 可以断定每一束即为一条微纤丝, 每一束直径为 12—14。 从中还可以看 nm 出每一条微纤丝中含有数条更细的丝状结构, 直径为 2左右, 这是基原纤丝。每一条基原纤丝nm 并不是一条平滑的直线, 而是在两侧有一些小的突起。图 1是进一步放大的 图像, 可以清 b STM (图 1 微晶纤维素的表面结构的 图像 隧道电流 0127, 偏压 450, 扫描 STM nA mV ) 范围: 1240×240, 140×40anm nm b nm nm 图 2 是微晶纤维素横切面的 图像, 从中可以清楚地观察到呈束状排列的基原纤丝及 STM 图像中还可以看出其横截面。 基原纤丝的横截面并不是规则的圆状, 而是呈椭圆形态, 从 STM 组成微纤丝的表面及中间的基原纤丝的直径都是均一的, 直径为 2左右, 但未能分辨出微纤 nm () 丝上的螺旋状结构。我们也用扫描电子显微镜研究了纤维素分子的结构, 但由于 分 SEM SEM 辨率较低, 加之实验时需在纤维素分子的表面喷一层金膜, 掩盖了分子表面的精细结构, 用 SEM只能观察到 微晶纤维素是一种颗粒大小很不均匀的超分子化合物, 高倍下也 50 S igm a ce ll typ e () 只能观察到纤维素分子的外部形貌 结果未列出, 而很难观察到纤维素分子中的微纤丝的结构。 无疑是目前直接观察生物分子结构的有效工具, 因为 , 无需对样品进行任 分辨率高STM STM 何处理。 (微晶纤维素微纤丝横截面结构的 图像 隧道电流 0181, 偏压 475, 扫描 图 2STM nA mV ) 面积: 40×40nm nm 2射线衍射方法是研究物质结构的有效手段, 且分辨率高, 但是 2射线衍射方法是根据衍 X X 8 ( ) () 射图谱经计算机图像重构而成, 因此是间接的。等 1994用原子力显微镜 对结 K u u t t i A FM 晶纤维素的结构进行了研究, 未能直接观察到微纤丝的结构, 通过图像的傅立叶变化推测出微纤 丝的晶态结构, 这与的分辨率较 低有关。 本文用 成功地观察到了微晶纤维素A FM STM STM 的基原纤丝的超显微结构, 通常认为用 观察样品的结构时样品必须导电, 但我们的实验中STM 用 观察纤维素这种导电性能较弱的样品时却得到了较好的分辨率, 对于其成像的机理还 STM 有待于进一步的研究。初步推断可能与微晶纤维素是高度有序的刚性分子有关, 因为用 扫STM 描这种高度有序的刚性分子时, 不会由于 针尖与样品的相互作用而使样品损坏或变形。另 STM 成像。 纤维素酶促降解是目前研究纤外, 由于纤维素分子表面存在很多氢键, 可能有助于 STM 维素降解的热点, 但由于测试手段的限制, 其降解机制还未完全澄清, 用于观察微晶纤维素 STM 超显微结构的成功, 为进一步用 研究纤维素的酶促降解动态过程奠定了基础, 的应 STM STM 用将为纤维素酶解机制的最终澄清提供强有力的佐证。 参 考 文 献 () 梁 锋 1 纤维素科学与技术, 1993, 1 3?1214. 1 2 Co ugh lan M P. B io tech no l. Gne t. E ng. R ev. , 1985, 3?392109. () 3 陈家楠 1 纤维素科学与技术, 1993, 1 4?1210. 4 . : . R a ja i H A ta llaT h e st ruc tu re o f ce llu lo sech a rac te r iza t io n o f th e so lid sta te sA m e r ican C h em ica l So c ie ty 340. . . , 1987. 1229.Sym po sium Se r ie s W a sh ing to n DC . : . 5 W ie sendange r RScann ing P ro be M ic ro scop e and Sp ec t ro scop yM e tho d s and A pp lica t io n sC am b r idge , 1993. . 5252536.U n ive r sity P re sspp () . . . . . , 1994, 12 3?149721499. 6 Zh ang Y Z e t a lJV acSc iT ech no lB ( )7 . . . . . , 1996 .Zh ang Y Z e t a lJV acSc iT ech no lin p re ss 8 . . , 1995, 178?126. Kuu t t i L e t a lJo f M ic ro scop y Study on The U l tra struc ture of M icrocry sta l l in e Ce l lu lo se w ith Scann in g Tunn e l in g M icro scope Zh an g Y u zho n g L iu J ie Gao P e iji ( ), , 250100In st itu te o f M ic ro b io lo gySh ando ng U n ive r sityJ inan 333Sh i D o n gx ia L iu N in g P an g Sh ijin 3 (), , 100080B e ijing L abo ra to ry o f V acuum P h y sic sC h ine se A cadem y o f Sc ience sB e ijing A bstra c t () Scann ing tunne ling m ic ro scop e STM w a s u sed to inve st iga te th e u lt ra st ruc tu re o f m ic ro c ry sta lline ce llu2 ( ) 2. lo seIt w a s re su lted th a t th e sm a lle st st ruc tu ra l un itce llu lo se e lem en ta ry f ib r il EC F w a s d irec t ly o b se rved . , , . w ith STM F rom th e su rface v iew C E F a r ranged in p a ra lle land w a s sp ira l in sh ap eT h e a r rangem en t o f C E F 223. w a s a lso seen f rom th e c ro ss sec t io n and it s d iam e te r w a s nmIt w a s th e f ir st t im e to d irec t ly o b se rve th e . st ruc tu re o f C E F f rom th e rea l sp ace a t nanom e te r sca leSTM w a s po ten t ia l in inve st iga t ing th e u lt ra st ruc tu re o f .ce llu lo se Keywords Scann ing tunne ling m ic ro scop e m ic ro c ry sta lline ce llu lo se ce llu lo se e lem en ta ry f ib r il