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本文聚焦天然同位素丰度下的固态核磁共振（ssNMR）技术在生物能源领域的应用。详细阐述其基本原理、技术手段，通过分析木质纤维素等生物材料，展示该技术对生物质结构、转化过程研究的重要性，为生物能源发展提供关键支撑。
背景
木质纤维素生物质（lignocellulosic biomass）是生物燃料生产和碳管理的重要可再生资源，全球年产量超 1500 亿吨。将其转化为生物燃料和产品的策略众多，如预处理 - 酶解 - 发酵三步法、整合生物加工（consolidated bioprocessing，CBP）以及热化学转化等。但在这些过程中，对固体残余物的精确分析至关重要。
传统分析技术大多需对样品进行化学或物理处理，无法揭示分子水平的相互作用和物理结构。而固态核磁共振（solid-state nuclear magnetic resonance，ssNMR）技术能在不改变样品天然状态的情况下，提供组成、结构、形态和动力学信息，对研究木质纤维素及其转化过程意义重大。
固态核磁共振基础
核磁共振（NMR）利用原子核在外部磁场和特定频率电磁辐射下的共振现象进行分析。在生物材料研究中，常用的原子核有1H、13C等。NMR 信号受多种因素影响，包括原子核特性、外部磁场强度、核间相互作用等，其中化学位移（chemical shift）可反映原子核的电子环境。
在固态或半固态样品中，分子翻滚不足，NMR 相互作用各向异性，导致信号严重展宽，难以解析。为解决这一问题，发展了魔角旋转（magic angle spinning，MAS）、交叉极化（cross-polarization，CP）和高功率质子去耦等关键技术。
MAS 通过将样品以 54.74° 相对于外部磁场旋转，有效平均化各向异性相互作用，提高谱线分辨率；CP 利用1H的高磁旋比和丰度，将信号转移到13C等稀核上，增强信号强度；高功率质子去耦则抑制1H与其他核的偶极相互作用，使谱图更清晰。这些技术组合形成了现代固态 NMR 的基础，如交叉极化魔角旋转（CP-MAS）技术，广泛应用于各类固态样品分析。
木质纤维素及相关生物能源材料中的生物聚合物
木质纤维素主要由纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）、木质素（lignin）和果胶（pectin）等生物聚合物组成。
纤维素是植物细胞壁的主要成分，占比 30 - 50wt%，由β(1→4)连接的葡萄糖单元组成，形成刚性的半结晶微纤丝，其化学位移可反映结构和动态特性。半纤维素约占 15 - 35wt%，是一类多糖，包括木聚糖、甘露聚糖等，结构多样，在植物细胞壁中起增强结构和提供相互作用表面的作用。果胶存在于植物初生细胞壁和中层，其结构复杂，影响细胞壁的孔隙度和细胞膨胀。木质素是一种芳香族疏水聚合物，占比 10 - 30%，由多种酚类化合物组成，结构复杂多样，对植物细胞壁的刚性和抗降解性起重要作用，但也增加了生物质转化的难度。
不同来源的木质纤维素组成和结构差异显著，如硬木、软木和草类的纤维素、半纤维素和木质素含量及结构各不相同，这些差异影响生物质转化效率。此外，树皮、根等其他植物组织还含有木栓质（suberin）和角质（cutin）等生物聚合物，它们在植物保护和生物经济中也具有重要作用。
木质纤维素的常规一维13C固态核磁共振分析
化学位移区域和光谱特征综述
木质纤维素化合物的13C ssNMR 光谱可分为脂肪族、碳水化合物、芳香族和羰基四个主要区域。脂肪族区域（~0 - 60ppm）包含半纤维素、蛋白质、脂肪酸等的甲基和亚甲基碳信号；碳水化合物区域（60 - 110ppm）的特征信号包括纤维素和半纤维素的异头碳（C1）等；芳香族区域（110 - 160ppm）主要由木质素贡献，但也包含其他成分的信号；羰基区域则反映了相关化合物的羰基碳信号。
纤维素的化学位移对其结构和动态性质研究至关重要，如 C4 和 C6 位点的化学位移可反映其结晶度和分子堆积情况。然而，由于光谱重叠，准确分析纤维素结晶度存在困难，需要借助先进的 NMR 技术。
木质素定量和表征
准确分析木质素对理解其在生物质中的作用及生物质转化过程至关重要。利用 1D 13C CP 光谱可对木质素进行定量分析，如 Gao 等人使用内标法结合光谱积分，以 TMSP 为内标，通过建立校准曲线实现木质素定量；Cipriano 等人则利用木质素中甲氧基在 56ppm 处的信号进行定量，该方法重复性好，适用范围广。
通过常规 ssNMR 还可部分解析木质素组成，如 Happs 等人应用光谱去卷积分析13C CP 光谱中 140 - 160ppm 区域，提高了 S/G 比计算的准确性，但该方法也存在通量低、对峰拟合参数敏感等缺点。
纤维素结晶度
纤维素结晶度指数（Cellulose crystallinity index，CrI）与纤维素基材料的物理和机械性能密切相关。固态 NMR 在纤维素结晶度研究中发挥了重要作用，可通过测量结晶峰和总峰面积比来计算 CrI。例如，Park 等人使用13C CPMAS NMR 测定了 Avicel PH-101 纤维素的结晶度；Ragauskas 实验室测定了多种柳枝稷自然变种的纤维素结晶度。
然而，由于光谱重叠，对完整木质纤维素中纤维素结晶度的准确测量存在挑战。光谱编辑等方法可用于更准确地研究完整木质纤维素中纤维素的亚结构。
追踪生物质解构和转化
常规13C ssNMR 可用于追踪生物质解构和转化过程中的结构和组成变化。化学预处理如稀酸、碱性和离子液体处理，物理处理如球磨、挤压等，热转化过程如生物炭制备，以及生物处理如真菌、微生物和酶处理等，都会引起生物质结构和组成的改变，通过 ssNMR 分析这些变化，有助于理解处理过程对生物质转化的影响。
例如，Lima 等人研究了不同预处理对生物质结构的影响，发现 NaOH 在 130°C 处理甘蔗渣可有效去除半纤维素和木质素，提高纤维素结晶度；Ekwe 等人通过 ssNMR 分析了球磨对竹子结构的影响，发现球磨可破坏纤维素结晶度，提高酶解效率。
高级一维：光谱编辑技术
基于动力学的滤波
基于动力学的滤波方法可区分刚性和移动性碳环境。例如，利用实验室坐标系纵向（T1?）或横向（T2?）、旋转坐标系（T1ρ?）弛豫的差异，通过对比 CPMAS 和 DP-MAS 结果，可强调材料中刚性和移动性碳环境的差异。
Sparrman 等人利用13C T1?弛豫时间的差异，开发了一种修订的测定纤维素结晶度的方法；质子自旋弛豫编辑（Proton spin relaxation editing，PSRE）通过基于质子弛豫特性选择特定碳类型，如利用T1?(H)滤波去除背景信号，或利用T1ρ?(H)滤波获得更纯净的纤维素子光谱，有助于研究纤维素结晶度与酶解效率的关系。
偶极去相位
偶极去相位（Dipolar dephasing，DD）实验可区分刚性质子化碳、非质子化碳和质子化但移动的碳。该实验通过在极化后短暂取消1H去耦，使与质子强偶极耦合的13C信号快速去相位，从而保留非质子化和动态碳的信号。
Gamble 等人利用偶极去相位研究了不同白腐真菌对百慕大草的降解作用；Rezende 等人结合偶极去相位和 CSA 滤波，对甘蔗渣碱性预处理后的水解产物进行光谱分析，验证了纤维素和木质素的去除情况。
探索天然丰度下的二维和准二维固态核磁共振
准二维弛豫：质子弛豫测量和对域混合的敏感性
通过固态 NMR 获得的弛豫时间可用于探测动力学现象和纳米尺度的域混合。许多一维滤波方法在收集多个时间点数据时可转化为准二维方法。
例如，1H T1?弛豫测量可反映聚合物间的相互作用和域尺寸，Ahvazi 等人通过测量不同 pH 下分离的木质素和纤维素的1H T1?，发现聚合物邻近会导致弛豫平均化；1H T1ρ?弛豫测量对千赫兹时间尺度的分子运动敏感，可用于区分不同聚合物的动力学差异，如对洋葱初生细胞壁的研究发现，水合作用对果胶和纤维素的1H T1ρ?影响不同。
弛豫：木质纤维素的位点特异性动力学
为获得木质纤维素在千赫兹时间尺度的位点特异性动力学，可使用 Lee - Goldburg 条件抑制自旋扩散，实现位点特异性极化转移。虽然在天然同位素丰度下应用该方法的实例较少，但在13C富集材料中的研究表明，该方法可揭示果胶多糖等的独特动力学。
通过 Torchia 方法测量13C T1?可获得纳米秒 / MHz 时间尺度的位点特异性动力学信息。例如，Ghosh 等人对稻草和甘蔗渣纤维素及其酶解残余物的13C T1?测量发现，酶解后所有碳类型的13C T1?时间均减少，表明结构无序度增加；Martin 等人研究了木质素修饰对水稻细胞壁纤维素动力学的影响，发现相关突变体的纤维素流动性发生改变，且与酶解糖化效率相关。
利用T2?弛豫研究水的接近程度和域尺寸
生物质和水的1H T2?弛豫时间差异显著，利用这一特点可选择性抑制生物质中的质子信号，通过1H自旋扩散将水的磁化转移到邻近生物质成分，从而研究水与不同生物质域的接近程度和域尺寸。
例如，对水合柳枝稷的研究发现，随着自旋扩散时间增加，磁化从水渗透到水合区域，再到缺水区域，可获得自旋扩散积累曲线，为生物材料微观结构组织提供信息。
可变接触时间 CP - MAS
可变接触时间（Variable contact time，VCT）实验通过监测1H到13C的极化转移时间动态，可获得极化转移效率、偶极耦合强度等信息。Kobayashi 等人利用TCH?测量研究了杨树粉末在稀硫酸处理过程中木质素的再缩合现象；Santoni 等人对不同产地云杉木材的研究发现，TCH?和T1ρ?(H)可反映木材的化学和物理性质差异。
检测异核偶极耦合强度
DIPSHIFT 实验通过测量13C?1H偶极耦合强度，可评估木质纤维素的运动幅度。该实验通过交叉极化产生13C磁化，在1H?13C偶极相互作用下演化，通过拟合曲线可提取偶极耦合信息。
Zhao 等人利用该实验研究了野生型水稻和突变体的 CH 偶极耦合强度，发现多糖具有高刚性。
二维（13C?1H）宽线分离（WISE）
2D WISE 技术通过将生物聚合物结构 / 构象（13C化学位移）与分子动力学（1H线宽）相关联，可研究生物聚合物的结构和动力学。例如，对天然杨树和杨树 / 二氧化硅复合材料的研究发现，酸性条件下制备的复合材料中纤维素的1H线宽变窄，表明其流动性增加；对滤纸纤维素在不同湿度下的研究发现，随着湿度增加，无定形 / 表面纤维素信号的1H线宽变窄，而结晶 / 内部信号无变化。
在 2D WISE 实验中加入质子自旋扩散元素，可监测不同动力学1H自旋浴的平衡过程，获取形态或域尺寸信息。例如，Capitani 等人利用该方法揭示了纸纤维素中纳米孔水的空间分布。
二维（13C?1H）异核相关（HETCOR）
2D 1H?13C HETCOR 技术可在固态下关联13C与邻近1H的化学位移，通过抑制1H?1H同核偶极相互作用，可克服固态下观察13C?1H相关性的困难。
Mao 等人应用该技术研究了玉米秸秆残余物，发现转化后纤维素和 / 或半纤维素与木质素紧密结合；对火炬松残余酶解木质素和传统磨木木质素的比较研究发现，残余酶解木质素更具异质性；该技术还用于研究考古木材与固化剂的相互作用以及生物炭生产过程中的机制。
未来方向：快速 MAS、1H检测、动态核极化（DNP）
超快速 MAS 通过高速旋转样品（40 - 150kHz），有效平均化各向异性相互作用，提高光谱分辨率，尤其适用于低丰度核的检测。Yuan 等人利用 150kHz 超快速 MAS 结合高磁场（800MHz）NMR，对云杉、枫木和棉花纤维素进行研究，实现了天然丰度下1H检测的 2D 1H?13C HETCOR 实验，详细分析了纤维素构象。
DNP 技术利用双自由基显著增强 NMR 测量的灵敏度，减少采集时间，提高信噪比。该技术特别适合获取高分辨率13C?13C相关光谱，有助于深入研究木质纤维素等复杂系统的结构。近年来，DNP 技术不断创新，如使用山梨醇基玻璃基质和无基质协议，提高了实验的灵活性和可重复性。
结论和展望
固态 NMR 是理解木质纤维素生物质及相关生物能源材料分子结构和动力学的重要工具，能在天然丰度下提供无损、高分辨率的信息，对生物能源研究意义重大。但该技术也存在灵敏度低、仪器成本高、信号解析困难等挑战。
随着技术进步，如更快的旋转速率、DNP 和人工智能驱动的数据分析等，将有助于克服这些挑战，扩大固态 NMR 在生物能源领域的应用范围，为实现可持续能源解决方案和碳管理提供关键支持。
