全 文 ：第 9卷 第 12 期 自然科学进展 19 9年 12 月
, 研究简讯 ,
天然蔗类植物铁芒箕叶绿素 a 中轻稀土
元素赋存状态的 E X A F S 研究 ’
赵贵文 洪法水 魏正贵 顾月华
(中国科学技术大学化学系 , 合肥 23 X() 26 ) (中国科学技术大学生物系 ,合肥 23 X( 犯6
胡天斗 谢亚宁 刘 涛 陶
(中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室 ,北京
冶 ` 关
仪刃3 9 )
摘要 选择在我国特有的南方离子型稀土矿矿 区生长的族类植物铁芒其 , 通过同
步辐射扩展 X 射线吸收精细结构谱 ( EX A乃 ) , 测定了铁芒其活体叶绿素 a 中 U 的配
位结构 , 初步判定 压 的赋存形式是与叶琳环形成双层夹心结构的配合物 , 表明稀土
元素进入叶绿素体内 . EX A F’S 为稀土的生物体内 ( in 。初 )研 究的深入提供了一种新
的方法 .
关键词 铁芒箕 E X A F S 稀土元素
稀土元素能明显促进叶绿素合成 ,已广泛用于农作物增产川 ,但其对植物生理过程中的具
体作用尚未明了 . 要想解决上述问题 ,必须回答稀土在叶绿素 、 蛋白质等生物分子中的赋存形
式 , 而常规谱学方法难以胜任 [’ 〕 . 随着同步辐射技术的发展 , 扩展 x 射线 吸收精细结构谱
(E XA玲 )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 、 配位数等 . 通过上述信息 , 可以判断稀土离子在分子水平上的存在形式 .
EX A玲 的样品无需单晶 , 无论固态液态 ,可在保持活性条件下测试 , 待测吸收原子的含量可低
达 拜岁g 量级 , 因而特别适合生物分子 中金属离子赋存状态的研究 z[] .
我们在研究离子吸附型稀土矿时 ,发现富含稀土的藏类植物铁芒其叶片中总稀土含量高
达 0 . 31 % s[] ,其后 人们利用分子 活化分析研究 铁芒其 叶 中稀 土结合 蛋 白闭 和稀土结 合多
糖 s[] . 但上述分析化学手段 , 只能提供稀土是否与生物分子相接合的信息 , 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 ,稀土离子的价态等这些关键问
题 ,则未见报道 . 本文主要探讨叶绿素中稀土的赋存状态 . 天然 叶绿素的中心金属原子主要
为 M g ,同时含有少量的过渡金属原子 ,稀土含量则更低 . 合成稀土叶绿素的配位结构 已见报
道 e[, 7〕 ,但均通过间接方法来推断 . 由于 Ex A玲 的特点 , 选择稀土含量高的天然植物铁芒其 ,
通过 D认玲 直接测定铁芒其活体叶绿素中 U 的配位结构 ,并推测其存在形式 . 选择铁芒其 ,
1卯8一 1 拱 收稿 , 1望珍一扔 收修改稿
, 国家自然科学基金资助项 目 (批准号 : 29 8肥印3 )
, 二 联系人
1 1 3 4 自然科学进展 第 9 卷
不仅 因为其富集稀土的特性 ,同时由于其异常高的稀土含量可以提高 E X ASF 实验的信噪比 .
1 实验
铁芒其采 自江西赣州定南某轻稀土矿区 . 叶片用丙酮乙醇 ( 1 : l) 混合液浸提叶绿素 ,蔗糖
柱层析分离出叶绿素 a 和叶绿素 b . 紫外可见分光光度计测定叶绿素 a , b 吸收光谱 ,计算其含
量 . IC -P AE S测定叶片及叶绿素中各单一稀土元素含量 . 各稀土元素测量的相对标准偏差在
0
.
4% 一 5
.
5% 之间 , 回收率在 94 % 一 107 % 之间 .
为保证 EXA SF 实验的信噪比及减少其他稀土元素的干扰 ,选择 U 含量最高的定南叶绿
素 a( 表 l) 进行研究 . E XA FS 实验在北京同步辐射实验室 4 WBI 束线 XA邓 实验站上完成 ,
iS ( 11 1) 双晶单色器 . 室温下采用荧光探测法采集 U 的 U 边 (电子束缚能量位于 5 4 83 e V )数
据 . 采用二氧化钦滤波片 ,滤除 oC mP otn 散射和背景荧光信号 . 实验时避免样品光照 . 数据
处理和分析分别由 EX BA C K 和 XE C URV 8 程序完成 .
表 1 定南叶绿素 a 稀土含量 IC -P AE S测试结果 a)
压 C e rP Nd mS uE dG hT稀土元索含量 (叽 3Q )/ 滩 ’ g一 ` 3 0 . 7 1以乃 28 . 32 20 ·的 26 · 87
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2 结果与讨论
E XA SF 是吸收原子与周 围近邻原子相互作用的结果 ,因此通过 E X A邓 可以确定稀土原子
周 围近邻原子的种类 、键长 、 配位数等 . 图 1为原始吸收谱图 ,分别对应 U ,砚 吸收边 ,其吸收
边形状表明肠 为三价 . 通过扣除本底 , 获得 E XA SF 信号 ,将 E XA SF 信号进行 凡 u ir e r 变换 ,获
On乙U`斗八口nU曰
ǎ .。`à妇邪俐ó。一óon山
L Z吸收边
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5 2 0 0 5 4 0 0 5 6 0 0 5 8 0 0 6 0 0 0
百 /C V 距离角 m
图 1 铁芒其活体叶绿素 a 中 肠 的 X 射线吸收
精细结构谱
边后 30 ~ 5 0 e v 处开始的吸收系数振荡为 E X赶 S
图 2 压 第 l 配位层 ( N 原子配位层 )径向分布函数
的实验 (实线 )和拟合曲线 (虚线 )对比
横坐标为中心原子 (巨 )到周围配位原子的距离
第 12 期 赵贵文等 : 天然蔽类植物铁芒其叶绿素 a 中轻稀土元素赋存状态的 EX A f S 研究 1 135
得 U 离子周围配位原子的径 向分布函数 . 图 2 为 肠 第 1 配位层径向分布函数的实验和拟合
曲线对 比 . 拟合结果表明第 1 配位层为 8 个 N 原子 , 1力 , N键长 0 . 259 ln ,表示无序度的 D e -
b ye
一确习erI 因子为 4 x or 一 4 n n 1 2 . 双层夹心的 E u ( IH )八 乙基 叶琳配合物中 E u ( m )一N 键长为
o
.
25 1 ln 〔8气双层夹心的 c e (w )八乙基叶琳配合物中 c e ( W )一N 键长为 0 . 24 8 urn 0[] ,但文献 中
未见 1.一 N (叶琳环上 )键长的报道 . 考虑斓系收缩作用 ,我们得到的 0 . 2 59 ln 的 L】尸 N 键长结果是可靠的 .
金属离 子与 叶琳 环上 的 4 个 N 原子 间存在 强相 互作
用 [`创 , 已知八配位的稀 土叶琳配合物有双层或三层夹心两种
结构型式 [“ 一川 . 对于三层夹心结构 ,外环 I丑一 N 键长和内环
的 加一N 键长相差较大 , 如果反映在径 向分布 函数上 , 第 l 配
位层 峰将有分裂现象 . 而实 际上第 1 配位层 峰是单 一对称
的 ,表明 8个 1月一 N 键 比较均一 , 与双层夹 心结构的特点相 吻
合 . 因此初步判定铁芒其叶绿素 a 中场 的赋存形式是与叶琳
环形成双层夹心结构 的配合物 (图 3 ) , U 夹于 2 个叶琳环之
间 , 与上下叶琳环中的各 4 个 N 原子配位 .
通过 EX ASF ,直接测定 了天 然蔽 类铁芒其 活体叶绿素 a
中微量元素 aL 的配位结构 , 并推测其存在形式 , 同时表明稀
土元素进人叶绿素体内 . 这为今后 了解稀土与酶 、 蛋 白质及
匹到 F[] 琳环 匕了〕心 夕
L a
刀认匹口 叶琳环 巨刀
图 3 压 双层夹心结构示意图
压 分别与上下叶琳环 ( op rp h州 n )中的各
4 个 N 原子配位
其他色素的作用提供了新的研究方法 ,对稀土生物无机化学研究 的深人具有重要意义 .
致谢 对国土资源部赣南扶贫开发中心 汪振立主任工程师和江西省赣州市南方工业学校
谢先求教授 ,在野外采样中的充分协助和在生物地质方面的有益探讨 ,表示衷心感谢 .
参 考 文 献
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