天然纤维素超显微结构的扫描隧道显微镜研究

　　纤维素是由葡萄糖残基组成的、以纤维二糖为基本联结单位的天然高分子化合物[1],它是自然界里最丰富的可再生资源,纤维素代谢则是生物圈碳循环的重要组成部分。据估计,植物纤维的合成速率约为4×1010吨/年[2]。因此,纤维素资源的利用和为此而进行的一系列研究引起了国际科学界的关注,其中,纤维素结构的研究一直是一个热门课题。对此,学者们提出了种种模式[3],如Meyer与Mark最早提出的纤维素微胞结构理论以及五十年代以来的Gerngross模型、Frey-Wyssling模型、Hess模型等等。但以往常用的研究手段主要是拉曼光谱、核磁共振以及X光衍射,经过谱图分析、数据处理、计算机重构,得到的多是一些间接的结果[4];一般的扫描电子显微镜(SEM)因其分辨率低,也不可能观察到纤维素的超显微结构。而其超显微结构的确定对于充分理解纤维素降解机制、有效利用纤维素资源是至关重要的。近年来,扫描隧道显微镜的问世,纳米生物学的兴起,使生物大分子结构的直观探测成为可能,DNA以及许多种蛋白质的空间结构相继被观察到,我们也曾利用扫描隧道显微镜观察到藻胆蛋白[5]和藻胆体[6]的结构。本文把扫描隧道显微镜技术(STM)引入纤维素结构的研究,成功地观察到棉花纤维的微细结构,获得了高分辨率、高清晰度的形态结构图像。

　　实验以脱脂棉(商品)作材料,用无水乙醇(分析纯)作分散剂。将脱脂棉理成小束,拉直平铺于刚揭开的高定向石墨片(HOPG)表面,两端用双面导电碳胶固定。滴加酒精润湿、分散棉丝,自然干燥。用电化学刻蚀法自制钨针尖,采用恒流模式,在室温、大气条件下用STM(中科院化学所研制,CSPM9100)进行观察。扫描时的隧道电流和偏压见图中的说明。

　　棉花纤维是唯一的天然纯净纤维素材料,纤维素含量高达95-97%,其结晶度大约为70%,经过脱脂处理后是很好的研究纤维素结构及其生物降解的材料。我们首先用SEM观察了棉花纤维的结构,从SEM照片中可以观察到棉花纤维的直径在几十到上百微米之间,并且可以观察到纤丝

(fibril)的结构,其直径为数百纳米,但是,由于SEM的分辨率较低,很难观察到更精细的结构(图片略)。图1(a)是脱脂棉纤维的STM图像,由于STM的扫描范围较小,因此,STM针尖只能在棉花纤维表面的局部区域扫描。图中显示的是组成纤维素的微纤丝,微纤丝的宽度在几十纳米的范围内,而其长度远远超出扫描范围。从缩小扫描范围得到的图1(b)中可以观察到,微纤丝(microfibril)又由更细的结构——基原纤丝(elementary fibril)以平行排列方式组成,基原纤丝的直径大约在2-4nm之间,它的结构单元是以β-1,4-糖苷键连接而成的纤维素分子。