基于二维核磁共振的低温真空提取中植物水氢同位素分馏机制研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Mechanism of hydrogen isotope bias in plant water from cryogenic vacuum extraction: insights from two dimensional-nuclear magnetic resonance

本文通过二维核磁共振（2D-NMR）技术揭示了低温真空提取（CVE）导致植物水δ2H偏差的机制。研究发现加热温度调控植物茎秆残留水含量，残留水与氢键作用是造成同位素分馏的关键因素，为改进植物水同位素分析方法和推动生态水文学研究提供了新视角。

　　

亮点

NMR原理与植物采样

二维核磁共振（2D-NMR）光谱涉及一系列射频脉冲，可操纵水分子中氢等原子的核自旋。该技术通过测量磁场下这些自旋之间的相互作用，提供分子结构、动力学和环境信息。对于植物水而言，这可以揭示水分子在分子水平上与植物组织的相互作用方式。二维光谱中交叉峰的相对强度与水分含量成正比（Li等，2022年）。本实验使用了三种植物物种：柳树（Salix babylonica）、樟树（Cinnamomum camphora）和女贞（Ligustrum lucidum）。在2023年7月从中国西安的一个公园采集了健康、成熟的植物茎秆样本（直径约0.5厘米）。样本被切割成约5厘米长的小段，立即用Parafilm膜密封，并储存在4°C的冰箱中，直到进行NMR测量。

NMR信号与水分含量的相关性分析

图1展示了NMR信号强度积分与植物样本水分含量之间的关系。观察到NMR信号积分与样本绝对水分含量之间存在显著的正相关关系。这一发现与NMR信号积分与样本中NMR活性核数量成正比的原理一致。随着样本中水分含量的增加，氢核（质子）的数量也随之增加，从而导致更强的NMR信号。这种强相关性证实了NMR信号积分可以作为植物样本中水分含量的可靠指标。因此，NMR能够有效量化植物组织中的水分含量，并监测提取过程（如CVE）引起的水分变化。

植物木质部的水分组成

原始植物木质部样本的T₂谱以及T₁和T₂图中观察到的双峰分布表明存在三种主要形式的水：自由水、结合水和结构水。图7展示了通过2D-NMR光谱表征的植物茎秆中这些水状态的示意图。自由水指的是毛细管水和细胞间水，而结合水包括细胞内水和吸附水，吸附水由植物细胞壁表面形成的薄水层组成。结构水是细胞壁基质内结合最紧密的水。T₂值最短的水峰（通常<1毫秒）归因于结构水，而T₂值在1到10毫秒之间的水峰代表结合水。T₂值最长（>10毫秒）的水峰对应于自由流动的自由水。

结论

本研究利用2D-NMR技术阐明了通过CVE提取的植物水中氢同位素偏差的机制。研究结果表明，NMR T₁-T₂弛豫谱为理解CVE引起的植物内部水分分布和变化提供了一种新方法。结果显示，CVE不仅显著影响植物茎秆中的水分含量，还影响了水分的分布和流动性。尽管CVE有效降低了自由水和吸附水的比例，但未能完全提取茎秆中的所有水分，特别是在100°C时残留水是导致δ²H偏差的主要因素。残留水和氢键作用可能是通过CVE提取的植物水产生δ²H偏差的关键因素。理解这一机制为减轻这种偏差提供了一条有前景的途径，从而推动了生态水文学和植物生理学的研究。