全 文 ：稀土在天然植物铁芒萁体内结合形式的光谱学研究
洪法水 魏正贵　赵贵文
(苏州大学生命科学学院生物系 , 苏州 215006) (中国科学技术大学化学系 , 合肥 230026)
摘要　利用 ICP-MS研究了江西赣州沙河稀土矿区天然植物铁芒萁体内稀土元素的分布规律 , 发现叶片和
叶绿素中 Ce含量最高 , 分别占其稀土总量的 79. 43%和 66. 71% . 铁芒萁叶片光系统Ⅱ ( PSⅡ )荧光发射峰
较普通植物紫移 15～ 25 nm, 且峰强是 PSⅠ 的 6. 79倍 , 表明 PSⅡ活性提高 . 由于铁芒萁叶绿素中稀土叶绿
素含量较低 (约占叶绿素总量的 0. 1% ) , 测定的 UV-Vis和 FT IR光谱特征与标样叶绿素 a相似 , 未能反映
出稀土的配位信息 . 而利用 EXAFS则表征出在铁芒萁叶绿素中 Ce为八配位 , Ce— N键长为 0. 252 nm, 推
测 Ce是与两个卟啉环配位的 , 为一双层结构 .
关键词　 稀土元素 ; 铁芒萁 ; 叶绿素 ; EX AFS
中图分类号　 O614　　　　文献标识码　 A　　　　文章编号　 0251-0790( 2001) 11-1790-05
收稿日期: 2000-10-09.
基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 29805003)和苏州大学人才引进基金资助 .
联系人简介: 洪法水 ( 1960年出生 ) ,男 , 博士 , 教授 , 从事生物无机化学研究 . E-mai l: hongfsh　 cn@ sinz. com
稀土元素可以明显促进植物叶绿素的形成 , 提高产量和改善品质 , 但其作用机理尚不清楚 . 欲想
解决上述问题 , 必须阐明稀土在植物体内的存在形式 , 而常规谱学方法难以胜任 . 扩展 X射线吸收精
细结构光谱 ( EXAFS)以其探测微观近邻结构的优势日益得到重视 , 其特点是能够直接测定吸收原子
的近邻结构 , 如键长和配位数等 , 通过这些信息 , 可以判断稀土离子的存在形式 . EX AFS的样品无需
单晶 , 无论固态或液态 , 均可在活性条件下测试 , 待测吸收原子的含量可低达 μg /g量级 , 因而特别适
于生物分子中金属离子存在状态的研究 [ 1] .
李凡庆等 [2 ]曾报道过在福建某离子吸附型矿区发现富含稀土的天然植物铁芒萁 (稀土总含量占叶
片干重的 0. 31% ) , 此后 , 人们利用分子活化分析法相继开展了铁芒萁叶中稀土结合蛋白、 稀土结合
多糖和稀土结合 DNA的研究 [ 3～ 6] . 但上述分析化学手段只能提供稀土是否与生物分子相结合的信息 ,
而这些体系中的稀土离子具体与哪些原子键合、 配位原子的结构、 化学键的性质及稀土离子的价态等
问题未能阐明 . 我们曾利用 EXAFS等手段研究富镧稀土矿区铁芒萁体内镧-叶绿素的结构 [7, 8 ] . 在此
工作基础上 , 本文利用各种光谱测试方法研究富铈稀土矿区铁芒萁体内稀土的含量及其铈 -叶绿素的
结构等 .
1　实验部分
1. 1　试剂及样品
微晶纤维素 (分析纯 )由上海第二试剂厂进口分装 , 标准叶绿素 a由 Sigma公司提供 ( Standa rd
Chl-a) , 其它试剂均为分析纯 . 玻璃器皿用自来水、 蒸馏水和去离子水各清洗 4次 .
铁芒萁 (Dicranopteris Dichotoma)采自江西赣州沙河稀土矿区 (铈含量特别高 ) . 剪取铁芒萁的叶 ,
用自来水、 蒸馏水和去离子水各清洗 6次 , 沥干 , 置于烘箱中烘干 , 研碎过 100目筛 .
1. 2　叶绿素的提取和分离
叶绿素的提取和纯化分离按文献 [9]的方法进行 .
1. 3　稀土元素和镁元素的测定
铁芒萁体内稀土元素的含量用 ICP-M S在 POEMS等离子体光质谱仪 ( Thermo JarreⅡ Ash公司 )
Vol. 22 高 等 学 校 化 学 学 报 　No. 11　
2 0 0 1年 11月 　　　　　　　 CHEM ICAL JOURN AL O F CHINE SE UN IVERSITIES　　　　　　　　　 1790～ 1794　
上测定 [10 ] . 称取一定量的铁芒萁的叶和分离纯化制得的叶绿素 a( Chl-a)和 b( Chl-b)置于硝化瓶中 , 加
入 8 mL浓 HNO3 , 摇匀 , 盖上表面皿 , 浸泡 48 h后 , 加入 4 mL浓 HNO3 , 在电热板上蒸发至 6 m L左
右 , 滴加 0. 5 mL H2O2和 1 mL HClO4 , 蒸发近干 , 取出后冷却 , 加入 5 mL 1 mol /L HCl, 用温浴浸取
10 min. 冷却后用 1 mol /L HCl稀释定容 , 将叶定容至 25 mL, 叶绿素定容至 10 mL, 滤去少量沉淀
物 , 用 ICP-M S测定稀土元素 .
用 603原子吸收分光光度计在 285. 2 nm波长处测定叶绿素中镁的含量 .
1. 4　光谱测定
将沙河两地的鲜铁芒萁叶片磨碎 , 按文献 [11]方法用丙酮浸泡 , 提取出叶绿素蛋白质复合物 , 稀
释后的丙酮溶液用 850荧光分光光度计 (日本日立公司 )测定 PSⅠ和 PSⅡ的 600～ 800 nm(激发波长为
438 nm )荧光发射光谱 .
将分离得到的叶绿素 a(含稀土元素 )浓缩至乳状 , 用岛津 UV-160紫外可见分光光度计测其可见
光吸收光谱 , 用 Nicolet Magna-IR 750傅里叶红外光谱仪测其红外吸收光谱 , 利用 EXAFS表征含铈的
叶绿素 a结构 . 铈试样的 LⅢ边 ( 5 729 eV )的 EXAFS在北京同步辐射 XAFS站 4W1B光束线上测量 ,
储存环的电子能量为 2. 2 GeV, 单色器为平面双晶 Si( 111) , 电流强度在 30～ 60 mA之间 , 探测器采用
充入 Ar混合气的荧光电离室收集数据 . 数据分析采用英国 Daresbury实验室开发的 EXCURV 92软件
包 . 分子结构模型由 Cerious 2分子模拟软件 ( Molecular Simulation Incorpo ration)得到 . 由于 Ce与卟啉
环不共面 , 拟合时没有考虑多重散射效应 .
2　实验结果
2. 1　铁芒萁叶片及叶绿素的稀土元素含量
沙河矿区铁芒萁叶片及其叶绿素中稀土元素的测定结果列于表 1. 由表 1可见 , 沙河矿区铁芒萁
叶及其叶绿素中所含的稀土元素以轻稀土元素为主 , 其中以 Ce含量最高 , 分别占总稀土量的 79. 43%
和 66. 71% , 其次为 La, 分别占总稀土量的 7. 53%和 14. 02% .
Tabl e 1　 The contents of rare earth el ements in leaves and chlorophyl l in D . Dichot oma
Ln　 Leaves /
(μg /g DW)
Chl-a /
(μg /g Chl-a)
Ch l-b /
(μg /g Ch l-b) Ln　
Leav es /
(μg /g DW)
Chl-a /
(μg /g Chl-a)
Chl-b /
(μg /g Ch l-b)
La 84. 43 10. 7 11. 2 Dy 2. 481 0. 228 0. 218
Ce 890. 4 50. 9 78. 9 Ho 0. 654 0. 062 0. 064
Pr 25. 41 2. 49 2. 43 Er 1. 405 0. 140 0. 137
Nd 78. 29 7. 71 7. 92 Tm 0. 151 0. 015 0. 015
Sm 14. 84 1. 24 1. 35 Yb 0. 855 0. 119 0. 088
Eu 1. 110 0. 135 0. 141 Lu 0. 140 0. 017 0. 019
Gd 12. 33 1. 45 1. 37 Y 7. 752 1. 02 1. 31
Tb 1. 036 0. 107 0. 121 ∑ RE 1 121 76. 3 105
2. 2　铁芒萁叶绿素中镁叶绿素和稀土叶绿素含量
铁芒萁叶绿素中镁叶绿素和稀土叶绿素含量列于表 2.
Table 2　 Percentage of chlorophyl l(Mg) and RE-chlorophyll in total chlorophyll in D . Dichotoma
Ln
Content (% )
Chl-a Ch l-b
Ln
Content (% )
Chl-a Chl-b
Mg 95. 9 0. 982 Dy 0. 000 13 0. 000 12
La 0. 014 0. 015 Ho 0. 000 033 0. 000 035
Ce 0. 065 0. 10 Er 0. 000 075 0. 000 074
Pr 0. 003 2 0. 003 1 Tm 0. 000 079 0. 000 081
Nd 0. 009 6 0. 010 Yb 0. 000 061 0. 000 046
Sm 0. 001 5 0. 001 6 Lu 0. 000 087 0. 000 099
Eu 0. 000 16 0. 000 17 Y 0. 001 0 0. 001 3
Gd 0. 000 82 0. 000 79 ∑ RE 0. 095 0. 13
Tb 0. 000 060 0. 000 069
1791No. 11 洪法水等: 稀土在天然植物铁芒萁体内结合形式的光谱学研究 　　　
　　从表 2可看出 , 生长在稀土矿区的铁芒萁叶绿素中主要以镁叶绿素为主 , 稀土结合的叶绿素含量
约占总叶绿素的 0. 1% .
2. 3　铁芒萁 PSⅠ和 PSⅡ的荧光发射光谱
植物叶片 PSⅠ 和 PSⅡ的荧光发射峰分别位于 730～ 740 nm和 685～ 695 nm[11 ] . 从图 1可见 , 沙河
Fig. 1　 Fluorescence emission spectrum of PSI and PSⅡ
in l eaves in D . Dichot oma(λex= 438 nm)
铁芒萁叶片 PSⅠ和 PSⅡ的荧光发射峰分别出现在
735 nm和 670 nm处 , PSⅡ荧光发射峰比普通植物
紫移了 15～ 25 nm. PSⅡ的荧光发射峰强度是 PSⅠ
的 6. 79倍 .
Tabl e 3　 UV-Vis spectra of chlorophyll in
D . Dichotoma
Absorption bands Chl-a in D. Dichotoma Standard ch l-a
Soret (λ/nm) 430 430
Qy ( 0→ 0) (λ/nm ) 663 663
Is / Iq 1. 47 1. 22
2. 4　铁芒萁叶绿素 a的紫外可见吸收光谱
从 UV-Vis谱数据 (表 3)可见 , 铁芒萁的叶绿素 a与标样叶绿素 a的吸收光谱相似 [12 ] , 即在 400～
440 nm间有很强的 Soret吸收带 , 而在 660～ 670 nm间有较强的 Q带 , 沙河矿区的铁芒萁叶绿素 a的
Soret带强度略比标样叶绿素 a的强 . 表明分离所制得的叶绿素 a的纯度较高 , 符合实验要求 .
2. 5　铁芒萁叶绿素 a的红外光谱
测定了固态铁芒萁叶绿素 a及标样叶绿素 a的 Fourier红外光谱 , 其频率和归属列于表 4.
Table 4　 Principal infrared spectra( cm- 1 ) and identif icat ion of ch lorophyll in D. Dichotoma
Ch l-a
C O
( C8, C9)
C O
( C7)
C C
Skeleton
vibration
C N, C— N
C— C C— H
Plant
alcoh ol
O— H
In D. Dichotoma 1 734 1 701 1 605 1 456m 1 252m 1 066w 2 850 2 953 2 922 3 485
Standard 1 734 1 698 1 611 1 452m 1 257m 1 070w 2 850 2 953 2 918 3 386
　　由表 4可见 , 铁芒萁叶绿素 a在红外光谱上的主要特征首先表现在卟啉环的骨架振动上 (包括
C N , C— N, C— C) . 铁芒萁叶绿素 a在红外频率为 1 456～ 1 459, 1 248～ 1 252, 1 066～ 1 074
cm- 1处强度较弱 , 峰形较宽 , 这些特征与标样叶绿素 a的特征基本相似 . 表明叶绿素 a的配位中心的
对称性较高 , 分子的偶极矩较小 . 铁芒萁叶绿素 a的其它红外光谱特征与标样叶绿素 a的也基本相似 .
由于稀土叶绿素在叶片中含量较低 , 故红外光谱未能反映出稀土元素在叶绿素上的配位状况 .
2. 6　铁芒萁中铈-叶绿素 a的结构
为了排除其它少量稀土元素对 EXAFS测定的干扰 , 选用叶绿素 a中含量最高的稀土元素 Ce进行
了 EXAFS研究 ,取得了 Ce LⅢ吸收边谱图 (图 2) , 其吸收边形状表明 Ce为 3价 . 对 Ce3+ LⅢ边吸收谱
经背景扣除 , E-k转换得到i(k )k3的函数 , 再经快速傅里叶变换后获得的径向结构如图 3所示 . 从中
Fig. 2　 Fluorescence X-ray absorption f ine structure spec-
trum of Ce in chlorophyll a of D . Dichot oma
Fig. 3　 Structure function of Ce3+ in chlorophyll a
of D . Dichotoma
1792　　　 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol. 22
进一步证实铈 -叶绿素 a中的 Ce3+为八配位 , Ce— N键长为 0. 252 nm.
3　讨　　论
稀土元素在植物体内一般主要以与蛋白质结合的形式存在 , 部分与色素、 纤维素等结合 . 钟淑琳
等 [13 ]对茶叶的研究表明 , 叶绿素中结合有较多的稀土元素 , 其中主要是轻稀土元素 , 本文的研究结果
与前文一致 . 但本文研究表明 , 铁芒萁叶绿素中 Ce元素的含量特别高 , 这可能与土壤和叶片中 Ce的
含量较高以及在植物体内容易运输有密切关系 .
螯合物的发光光谱特性与螯合物的有机配位体和金属离子的电子激发态的性质及所处位置有关 .
铁芒萁叶片 PSⅡ的荧光发射峰比普通植物紫移 15～ 25 nm, 且 PSⅡ的峰强度是 PSⅠ 的 6. 79倍 .
670 nm处的荧光峰是与稀土离子有关的 M* -M发光 . PSⅡ中的配位体通过c-c*跃迁而被激发 , 接着
以无辐射方式将能量转移给稀土离子 , 产生 f * -f 跃迁 . 表明铁芒萁体内的稀土元素促进了 PSⅡ的形
成 , 也表明 PSⅡ上可能结合了稀土元素 . 沈博礼等 [14 ]认为 , 稀土元素对植物光合能量代谢的影响主要
还是促进蛋白质复合体的活性加强和电子传递链中电子传递速率加快 , 从而带动整个光能转换和光化
学效应 .
本实验所制得的铁芒萁叶绿素 a具有一般植物叶绿素 a的可见光谱和红外光谱特征 . 李赛君
等 [12, 15 ]研究了体外叶绿素与 La的配位反应、 配合物的性质和结构特征 , 由变温磁圆二色 ( MCD)谱推
断叶绿素-La与叶绿素 a具有相似的单层结构 . 本文利用扩展 X射线吸收精细结构光谱研究了铁芒萁
体内 Ce-叶绿素 a的结构 , 表明 Ce在叶绿素中是八配位 , 与两个卟啉环配位 , 可能为一双层结构 , 与
前文 [7, 8 ]定南稀土矿区铁芒萁体内 La-叶绿素 a的研究结果一致 , 这是由于 Ce的离子半径与 La十分相
近 ( Ce为 0. 114 nm , La为 0. 116 nm) , 均大于 Mg( 0. 072 nm) , 它们都难以象 Mg那样嵌入卟啉环内 ,
所以两个卟啉环中间夹一个 Ce. 双层夹心的 Eu(Ⅲ )八乙基卟啉配合物中 Eu(Ⅲ )— N键长为 0. 251
nm
[16 ] , 双层夹心的 Ce(Ⅳ )八乙基卟啉配合物中 Ce(Ⅳ )— N键长为 0. 248 nm [17 ] , 表明所得 0. 252 nm
Fig. 4　Molecule structure of Ce-chlorophyll
inD . Dichot oma
Ce— N键长结果是可靠的 . 金属离子与卟啉环上的
4个 N原子间存在强相互作用 . 已知八配位的稀土
卟啉配合物有双层或三层夹心两种结构形式 [ 18] . 对
于三层夹心结构 , 外环 La— N, Ce— N键长和内环
La— N, Ce— N键长相差较大 , 如果反映在径向分
布函数上 , 第一配位层峰将有分裂现象 . 而实际上
第一配位层峰是单一对称的 ,表明 8个 Ce— N键长
比较均一 , 与双层结构的特点相吻合 . 因此可推测
铁芒萁叶绿素 a中 Ce是以与卟啉环形成双层夹心
结构的配合物 (图 4)的形式存在 , Ce夹于两个卟啉环之间 , 与上下卟啉环中的各 4个 N原子配位 .
稀土叶绿素的双层结构可能比单层结构的镁叶绿素更有利于光能的吸收、 传递及转换 .
感谢中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室陶冶等同志协助扩展 X射线吸收精细结构光谱
( EX AFS)的测定工作 .
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Studies of Bound Form on Rare Earths in a Natural Plant Fern
Dicranopteris Dichot oma by Spectroscopy
HONG Fa-Shui
*
(Department of Biology , College of L ife Science, Suzhou University , Suzhou 215006, China)
WEI Zheng-Gui , ZHAO Gui-Wen
(Department of Chemistr y , University of Science and Technology of China , He fei 230026, China )
Abstract　 Dist ribution of RE and st ructure characterization of RE-chlorophy ll in a natural plant fern Di-
cranopteris Dichotoma in rare earth mining area w ere studied by spectrocopy. The results show ed that the
cerium content in total rare earths( 79. 43% , 66. 71% ) w as the highest in leaf and chlo rophyll, respective-
ly. The fluorescence emission peaks of photosy stemⅡ in D. Dichotoma were more violet shif t by 15～ 25
nm than that of common plant. The fluorescence intensity of photosystemⅡ was as 6. 79 time as that of
photosystemⅠ . It show ed that RES can increase the activi ties of photosystemⅡ . The spectral characteri-
zation of UV -Vis and FTIR on chlorophyll a in D. dichotoma are similar as standard chlorophy ll a and
couldn′t suggest coordination information on REs fo r its very low contents of RE-chlo rophyll in
D. Dichotoma. Ex tended X-ray absorption fine structure ( EX AFS) spect ral analysis revealed tha t cerium
coo rdinated two porphyrin ring s wi th coo rdination number of eight, the bond leng th of Ce— N was 0. 252
nm, respectively; Ce-chlorophy ll-a may have bilayer structure in D. Dichotoma.
Keywords　 Rare earth elements; Dicranopteris Dichotoma; Chlorophy ll; EX AFS
( Ed. : M, G)
1794　　　 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol. 22