LIBS-拉曼同微区同步检测实现木质素和矿质元素的耦合研究

木质素作为植物细胞壁核心芳香高分子，主要成分是由C、H、O 组成，不含金属矿质元素，但大量研究证实Ca、Si、Mn 等矿质元素并非只是被动附着，而是参与木质素生物合成、聚合、微区沉积，二者在微米尺度细胞壁位点发生紧密耦合。因此同步研究木质素成分及矿质元素具有重大的意义。

传统消解的方法只能获得木质素组织平均结果。仅靠拉曼只能解析木质素分子结构，仅靠 LIBS 只能获得元素信息。传统研究采用两种方法分别测试，难以实现真正的同微区采样，会丢失木质素分子与矿质元素原位共定位信息。样品测量点不同也会造成分子‑元素信号空间不匹配等问题。

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种原子发射光谱技术，用于元素的测量。拉曼散射技术(Raman)是一种非破坏性的分子光谱分析技术，可以对有机物及无机物进行分析，是一种应用于物质分子结构研究的分析方法。EcoChem Pro一体化LIBS + 拉曼系统，同一样品、同一测点、同步采集木质素拉曼分子指纹与 LIBS 全元素指纹信息，为解析木质素与元素的联合研究提供了全新的原位分析手段。拉曼告诉我们这个位点是什么木质素；LIBS 告诉我们同一个位点富集哪些矿质元素。

本文的研究针对高粱根内皮层开展系统研究，揭示了硅与木质素的精妙的互作模式。高粱根内皮层细胞壁预先形成斑点状修饰木质素位点，该特化木质素位点作为二氧化硅（硅）的成核模板；在缺硅环境下，该位点的修饰木质素会充分交联进入细胞壁，丧失硅成核能力；当环境存在硅酸时，硅酸会在该木质素斑点上聚合沉积形成硅聚集体；硅沉积反过来改变局部木质素聚合程度。文中也指出了现有其他科研方法的不足：消解化学分析虽然可以得到整块组织平均数据，但是丢失了细胞壁微米微区信息；不同仪器的测试方式无法保证分子信号与元素信号来自同一个微区。

    上图为高粱根内皮层木质素与硅的共定位示意图。木质素分子位点决定硅在哪里沉积，硅沉积又反过来改造木质素化学结构。

本研究采用多模态成像手段，联合拉曼等多种技术对高粱叶片切片开展化学成分表征分析。将硅的沉积行为与表皮特定有机组分（尤其是木质素）建立关联。

上图为高粱叶片多组织拉曼光谱与 PCA 分类结果图。说明依靠拉曼光谱可区分高粱叶片表皮、维管束鞘、木质部等不同组织的木质素分子特征，但拉曼本身无法检测硅等矿质元素，必须搭配 LIBS技术进行元素检测，才能真正建立木质素与硅沉积的空间关联。

文中指出，以钙离子 Ca²⁺为例，Ca²⁺作为胞内第二信使，正向调控水杨酸、茉莉酸甲酯等诱抗剂诱导的木质素生物合成；外源施加 Ca²⁺能够显著提升叶片木质素积累；而钙螯合剂 EGTA、钙通道抑制剂 LaCl₃会显著抑制木质素合成提升效应。

上图为钙对BABA处理番茄诱导叶（A）和非诱导叶（B）中木质素的影响。

这类生理实验大多采用消解后对整体样品进行测定，只能得到组织平均含量，无法回答细胞壁哪个微区发生了木质素变化。该位点局部 Ca 元素丰度如何改变，批量消解会丢失微米级空间信息。通过LIBS  + 拉曼复合技术，我们可以得到木质素聚合物的变化情况以及微量元素的丰度。

文中实验可采用北京澳作生态仪器有限公司自主研发的EcoChem Pro激光光谱元素分析系统。该系统同步采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和拉曼散射技术(Raman)，分别用于元素和分子信息的测量。LIBS激光能量200mJ@1064nm，能量输出0-100%可调。拉曼激光波长785nm，功率≥500mW，波长范围：250-2700cm-1，可有效的避免荧光的干扰。系统内置高精度全自动三维工作台；样品室可通入氦气或氩气，排除空气的干扰、提高实验效果。

通过本文，我们了解了LIBS与拉曼复合系统的特殊优势。相对于传统分开检测的方案，EcoChem Pro 系统可以同源、同步检测木质素成分和富集的微量金属元素，为更多的样品精准、深度检测提供了更强有力的手段。LIBS与拉曼技术的结合作为一种新兴的、快速的分析模式，有着传统仪器所不具备的更多功能。随着这一技术的发展，它必将在元素和分子同步分析领域发挥越来越重要的作用。