傅里叶变换红外光谱技术在植物学中的应用

傅里叶红外光谱技术(FTIR)应用十分广泛，几乎涉及到自然科学的每个领域，如化工、食品、医药、环境、气象、文物鉴定、质量监控、地质等[1]。近年来，FTIR也越来越多地被应用到植物学领域。不同的化学成分具有不同的红外光谱，傅里叶变换红外光谱根据这个特性，能够进行快速准确的辨别鉴定[2]。笔者综述了FTIR的工作原理及其在生物大分子、亲缘地理学和生理学上的应用，并探讨了FTIR在植物学研究中遇到的一些问题，旨在为FTIR在植物学领域的应用提供借鉴。

1 FTIR的工作原理

FTIR是利用傅里叶变换红外光谱仪测量样品宽带红外光谱，对样品进行定性定量分析的一门技术。FTIR具有的“指纹”特征性，使得人们利用傅里叶变换红外光谱仪检测化合物中官能团和极性键振动的分子振动光谱，不同化合物具有不同的分子特征振动和转动频率，从而鉴定出其化学成分[1]。

傅里叶变换红外光谱仪属于干渉性光谱仪，由红外光源、干涉仪、样品室、检测器、激光器、红外反射镜、控制电路和电板组成。光源发出一束光，通过干涉仪，被干涉仪分成2束光，一束透射到达动镜，一束反射到达定镜。透射到达动镜的红外光被反射到分束器后，有一部分被透射返回光源，另一部分经反射到达样品；反射到定镜的光再经过定镜的反射作用到达分束器后，一部分经过分束器的反射作用返回光源，另一部分透过分束器到达样品。用红外光照射样品，在特定波长范围的能量与分子的振动能量相当，就被分子吸收。分子由低能态过渡到高能态，产生能级跃迁，出现红外分子吸收光谱，其中吸收谱带的强度取决于偶极矩的变化大小[3-4]。

FTIR具有灵敏度高、操作简单、重复性好的优点，被广泛应用在医学、化工、气象、文物鉴定等研究领域[5]。随着FTIR的不断成熟，在植物学中的应用也越来越广泛，如研究探测生物大分子结构，包括蛋白质二级结构的测定、核酸和脂质的研究、植物亲缘地理关系的研究、植物生理指标的测定等。

2 FTIR在生物领域的应用

FTIR作为一种现代结构常用的分析技术，摒弃了传统的化学分析方法，是生物大分子研究领域的一大突破。FTIR现已被用来观测分析蛋白质结构变化，检测脂质和糖类的含量及种类。

2.1 FTIR在生物大分子上的应用

2.1.1 FTIR在蛋白质上的应用。蛋白质是一类极为重要的生物大分子，几乎各种生命活动都与蛋白质有关，蛋白质的构象影响蛋白质的功能。FTIR可观测到蛋白质结构的微小变化，定量分析蛋白质的各二级结构，逐渐发展成为定量分析蛋白二级结构常用的手段[6-7]。

蛋白质受到物理或者化学因素的影响，二级结构发生变化，蛋白质变性后二级结构中的α-螺旋向β结构转化，但是一级结构没有改变。红外光谱分析蛋白二级结构的步骤[6]：首先对蛋白质在酰胺 Ⅰ 带的红外特征吸收峰进行分辨率增强处理，得到蛋白二级结构组分的个数和位置；其次对酰胺 Ⅰ 带进行光谱分峰拟合得到不同蛋白二级结构的含量。Glassford等[8]介绍了衰减全反射-傅里叶红外光谱技术(ATR-FTIR)作为无标记、非破坏性的分析技术，应用在蛋白质呈像上的最新研究结果。Sarroukh等[9]利用ATR-FTIR研究类淀粉蛋白的结构和生物功能，认为该技术在研究结构蛋白聚集转化到多肽过程中的持续观测优势。沈子威等[10]利用FTIR研究在不同频率和不同功率的强声波作用下花粉细胞的细胞壁蛋白质二级结构的变化，结果显示400 Hz的强声波对细胞壁膜的相行为及蛋白质二级结构具有明显的影响。刘鹭等[11]为了探讨铬对蛋白结构的影响，使用FTIR分析铬作用前后蛋白质二级结构的变化，结果显示，铬与蛋白的键合导致大分子蛋白中的α-螺旋结构和无规则卷曲结构被破坏，导致蛋白质变性。

2.1.2 FTIR在糖上的应用。广泛分布在植物体各种组织中的糖是植物碳水化合物的重要运转和存储物质。植物生理上，糖的测定常使用蒽酮比色法，可是这种方法不仅繁琐，更具有危险性。FTIR的使用能够大大降低试验过程中的安全隐患。

常静等[12]利用傅里叶变换红外光谱测定不同等级灵芝的多糖含量，结果表明，不同等级灵芝的吸光度变量与灵芝多糖含量之间显著相关 。Wang[13]采用FTIR对来自14个地区的白英细胞壁中半纤维素、多糖、木质素3个指标进行快速鉴定对比，发现这3个指标可以作为特征值，来鉴别不同地区的白英。李伦[1]研究了木兰科14种植物不同叶龄的红外光谱，发现尽管红外光谱吸收峰的位置基本一致，然而特征峰不同，通过数据拟合以及子峰峰高比分析，可以计算多糖的相对含量。孙元琳等[14]建立了一套对果胶多糖酯化度快速鉴定的方法，与过去的化学滴定法相比，FTIR大大提高了工作效率，是一种可行的方法。

文章来源：《植物生理学报》 网址: http://www.zwslxbzz.cn/qikandaodu/2021/0118/477.html