基于琼脂糖凝胶电泳的TEMPO氧化纤维素纳米纤丝长度分布测定新方法

为解决传统电子显微镜法测定纤维素纳米纤丝(CNFs)长度分布时存在的样本制备复杂、统计可靠性低等问题，研究人员创新性地将琼脂糖凝胶电泳技术应用于TEMPO氧化CNFs(T-CNFs)的尺寸分析。通过阳离子染料可视化及DNA标记物参照，首次建立了T-CNFs迁移距离与长度的反比关系模型，实现了无需显微镜的快速、低成本长度分布测定。该方法为纳米纤维素工业化生产的质量控制提供了重要技术支撑。

　　

在纳米材料研究领域，纤维素纳米纤丝(CNFs)因其独特的力学性能和环境友好特性备受关注。其中，TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化的CNFs(T-CNFs)更因其表面羧基带来的高电荷密度和均一宽度成为研究热点。然而，传统电子显微镜法测定T-CNFs长度分布时面临巨大挑战——高度缠结的纳米纤丝网络使得单个纤丝的分离和统计变得异常困难，且需要昂贵的仪器设备和冗长的样本处理流程。这种技术瓶颈严重制约了纳米纤维素材料的工业化应用进程。

为解决这一难题，韩国某造纸企业联合科研团队在《Carbohydrate Polymers》发表创新研究。研究人员突破性地借鉴了分子生物学中DNA尺寸分析的成熟技术——琼脂糖凝胶电泳，通过优化T-CNFs浓度控制(crowding factor N_corr<16)确保单根纤丝迁移，利用阳离子染料可视化带负电的T-CNFs，并创新性地采用DNA标记物作为长度参照标准。该方法仅需常规电泳设备即可实现T-CNFs的快速尺寸分型，为工业化生产提供了革命性的质控手段。

关键技术方法包括：1) 采用两种不同粘度的T-CNFs样本(推测长度差异)；2) 原子力显微镜(AFM)验证纤丝宽度均一性(约2.6 nm)；3) 优化电泳条件(0.01 wt%浓度)；4) DNA标记物共迁移建立长度-迁移距离标准曲线；5) 光密度扫描定量质量分布。

【Morphological characteristics of cellulose nanofibrils】
AFM分析证实两种T-CNFs(T_L和T_S)宽度分布高度均一(2.62 vs 2.58 nm)，排除宽度因素对电泳迁移率的干扰。TEMPO氧化工艺的全面性确保纤丝表面电荷密度一致，为电泳分离奠定基础。

【结论】
研究证实琼脂糖凝胶电泳能有效区分长度差异≥400 nm的T-CNFs群体。通过DNA标记物校准建立的迁移距离-长度数学模型，结合光密度分布分析，首次实现了无需显微镜的T-CNFs长度分布定量。该方法将单次分析时间从传统电镜法的数天缩短至数小时，且设备成本降低90%以上。

【讨论】
该技术的创新性在于：1) 利用T-CNFs与DNA相似的线性分子特性，但克服了传统F3-MALLS系统对长纤丝(>400 nm)分析的局限性；2) 阳离子染料标记策略解决了纳米纤维素在凝胶中可视化难题；3) 建立的crowding factor模型为其他纳米纤维电泳分析提供普适性指导。研究团队Jung-soo Han等指出，该方法可扩展应用于其他带电纳米材料的尺寸分析领域，为纳米材料工业化生产树立了新的标准检测范式。