Новости химической науки > Рамановское рассеяние следит за конверсией биомассы

Исследователи из США продемонстрировали новую систему визуализации, позволяющую изучать динамику протекания процесса конверсии биомассы в углеводы, которые затем могут выступать в качестве прекурсоров биотоплива.

Методика, получившая название микроскопия вынужденного Рамановского рассеяния [stimulated Raman scattering (SRS) microscopy], эффективнее существующих, поскольку позволяет проводить количественную оценку частиц, присутствующих в изучаемой системе.

Изображения, полученные с помощью микроскопии SRS в режиме реального времени, позволяют увидеть, как происходит делигнификация соломы стеблей кукурузы. a) сигнал, соответствующий лигнину до начала реакции; c) через 53 минуты после кислотной хлоритной обработки видно существенное уменьшение количества лигнина; b) сигнал целлюлозы до начала делигнификационной обработки; d) сигнал целлюлозы после делигнификационной обработки. (Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2010, DOI: 10.1002/anie.201000900)

Биомассу зачастую рассматривают как перспективный возобновляемый источник энергии, который сможет понизить нашу зависимость от ископаемых топлив или даже освободить от этой зависимости. Двумя главными компонентами биомассы, перерабатываемой на топливо, являются лигнин и полисахариды; последние могут быть разрушены до моносахаридов, из которых, в свою очередь, с помощью ферментации получают этанол. Тем не менее, благодаря большому количеству различных химических связей и сложной химической структуре разложение лигнина не всегда представляет собой простую задачу. Одним из перспективных методов делигнификации является использование ферментов, однако для увеличения эффективности удаления лигнина из биомассы необходимы аналитические методики, позволяющие изучать динамику делигнификации в режиме реального времени.

Одним из инструментов, позволяющих добиться решения поставленной задачи, может выступать Рамановская спектроскопия. Комбинационное рассеяние позволяет вести качественное и количественное исследование состава образца, рассеивающего лазерное излучение, хотя для регистрации картинки, отражающей распределение тех или иных компонентов в образце, могут потребоваться часы даже при получении изображения со скромным разрешением. Новое поколение методов спектроскопии комбинационного рассеивания – микроскопия когерентного анти-Стоксовского рассеивания [coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy], в котором для увеличения чувствительности и разрешения применяется дополнительный лазер. Тем не менее, при всех преимуществах метода микроскопии CARS, на результаты, полученные с помощью этого метода, сильное влияние оказывает сигнал фона, который не позволяет проводить количественное определения компонентов в образце.

Как продемонстрировал Ши-Ю Динг (Shi-You Ding) из Национальной лаборатории Оак Ридж, микроскопия SRS позволяет обойти проблемы, ограничивающие области применения классической Рамановской микроскопии и микроскопии CARS. Исследователи из группы Динга использовали два работающих в ближней области ИК-спектра лазера с различной рабочей частотой, перекрытые лучи от которых направили на образец соломы кукурузного стебля. Сигнал, возникающий при рассеивании лазерного излучения образцами, линейно зависит от концентрации присутствующих в образце компонентов, что позволяет быстро получать изображение, демонстрирующее количественное распределение лигнина.

Джи-Цин Ченг (Ji-Xin Cheng), специалист по химии биомассы из Университета Пэрдю, отмечает, что работа Динга является замечательным примером практического применения микроскопии SRS, добавляя, однако, что микроскопия CARS останется важным инструментом для изучения капель липидов и миелиновых оболочек. Он добавляет, что при изучении этих объектов применение микроскопии CARS позволяет получить сильный сигнал, который позволяет получать селективные изображения, демонстрирующие динамику миелина и накопления жира в живой ткани в режиме in vivo.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2010, DOI: 10.1002/anie.201000900

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #химическая технология, #химия полимеров