全 文 ：第 52 卷 第 2 期
2 0 1 6 年 2 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 52，No. 2
Feb．，2 0 1 6
doi:10．11707 / j．1001-7488．20160212
收稿日期: 2015 － 04 － 08; 修回日期: 2015 － 09 － 11。
基金项目: 国家自然科学基金青年项目“化学组分选择性脱除对竹纤维细胞壁精细结构及力学性能的作用机制”(31500474) ; 国家自然
科学基金面上项目“竹纤维细胞壁多壁层构造的理化表征”(31370563)。
* 费本华为通讯作者。
AFM技术观察慈竹纤维和薄壁细胞
断面微纤丝聚集体特征*
陈 红1，2 田根林2 吴智慧1 费本华2
(1. 南京林业大学 南京 210037; 2. 国际竹藤中心 北京 100102)
摘 要: 【目的】利用原子力显微镜(AFM)研究竹材纤维细胞和薄壁细胞纤维素微纤丝聚集体的分布规律，为
竹纤维及竹材的加工利用提供理论支持。【方法】通过对脱木素处理的竹材进行树脂包埋及钻石刀修块抛光，制
备出可以在 AFM 下进行表征的样品，利用 AFM 的 Tapping 模式对竹材纤维细胞和薄壁细胞中纤维素微纤丝聚集
体进行观察。【结果】通过 AFM 对处理的样品进行定位扫描可以得到高度图和相图，一个维管束内不同位置纤维
细胞的高度图和相图都显示出多层结构，且细胞壁层数及各壁层厚度因细胞在竹材中所处位置不同而改变; 一个
维管束内不同位置细胞壁的相图显示高亮度的物质分布密度不同，从细胞壁内侧到细胞壁外侧都呈不均匀分布，
且各壁层相邻的位置处高亮度的物质比较密集; 一个竹纤维细胞壁的相图中显示各层高亮度物质大小差异不大，
而一个竹薄壁细胞壁中各层高亮度物质差异比较大。【结论】利用 AFM 的 Tapping 模式对竹材细胞壁进行观察，
需要对样品进行适当处理，不仅操作相对同分辨率的手段简单，而且还可以进行定位观察，除了能够获得传统手段
得到的细胞壁多壁层结构外，还能获得纤维素微纤丝聚集体的分布，是一种便捷、有效的手段; 竹纤维细胞和竹薄
壁细胞中纤维素微纤丝聚集体在其胞壁的横截面上都呈随机的无序排列; 纤维素微纤丝聚集体在一个细胞壁各层
内的分布密度不同，并且在壁层与壁层相邻的位置密度明显大于壁层内的密度，这一现象在薄壁细胞内表现得更
明显; 纤维素微纤丝聚集体的尺寸在一个纤维细胞各壁层内差异不大，但在薄壁细胞中差异较大。
关键词: AFM; 竹材; 细胞壁; 微纤丝聚集体
中图分类号: S781 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2016)02 － 0099 － 07
Cellulose Microfibril Aggregates in Cross-Section of Bamboo
Fiber and Parenchyma Cell Wall with Atomic Force Microscopy
Chen Hong1，2 Tian Genlin2 Wu Zhihui1 Fei Benhua2
(1 ． Nanjing Forestry University Nanjing 210037; 2 ． International Centre for Bamboo and Ｒattan Beijing 100102)
Abstract: 【Objective】Cellulose microfibril aggregate is the main component of bamboo cell wall which is important to
study． However，bamboo cell wall is too hard to prepare the sample，and the technology with high resolution is not
enough． Therefore，it is very different to study the cellulose micrifibril aggregates in bamboo cell wall．【Method】Bamboo
strips were delignified by chemical treatment before being immersed in resin． Then the delignified bamboo cell wall was
cut and polished by diamond knife which was ready for observing with an atomic force microscopy(AFM) ． The cellulose
microfbril aggregates in bamboo fiber and parenchyma cell wall were investigated by Tapping Mode using an AFM．
【Ｒesult】Height images and phase images were obtained by observing the prepared bamboo samples with an AFM． There
were polylamellate structures in both fiber and parenchyma cell wall which changed according to the position in the
vascular bundle． The amount of high bright material changed in different position of each layer was calculated by observing
the phase images in one vascular bundle． Besides，the high bright material between the neighbor layers was more than
other place; the size of high bright materials was similar in fiber cell wall，but different in parenchyma cell wall．
【Conclusion】The Tapping Mode in AFM is an effective method to observe bamboo cell wall with pre-treatment which can
not only get the image chosen before but also can get the information both on polylamellate structure and on cellulose
林 业 科 学 52 卷
microfibril aggregates in each cell wall layer． Cellulose microfibril aggregates distributed randomly in the cross section of
both fiber and parenchyma cell wall． The amount of cellulose microfibril aggregates was various in different layers of
bamboo fiber cell wall． Cellulose micrifibril aggregates in fiber cell wall were obviously higher in the edge of each layer
than that in the middle place，which was more obvious in the parenchyma cell wall． The size of cellulose microfibril
aggregate was almost the same in fiber cell wall，but different in parenchyma cell wall．
Key words: AFM; bamboo; cell wall; microfibril aggregate
竹纤维是竹材的主要力学强度承担者，而纤维
素微纤丝聚集体是竹纤维细胞壁的主要组成单元，
所以细胞壁中纤维素微纤丝聚集体一直是学者们的
研究兴趣。由于竹纤维细胞壁质地较硬，制样较困
难，尤其是细胞壁横截面样品的制备，导致竹材细胞
壁中纤维素微纤丝聚集体的研究进展较慢。目前关
于纤维素微纤丝聚集体的研究多集中在位于竹纤维
细胞壁表面的初生壁 (余雁等，2008; 陈红等，
2014)，而竹材细胞壁横截面上纤维素微纤丝聚集
体的研究未见报道。
近些年发展起来的原子力显微镜( atomic force
microscopy，AFM)作为一种在纳米尺度上研究生物
质材料的重要手段，能够在天然条件下或者接近天
然条件下获得具有纳米尺度的图像，成为研究植物
细胞壁的理想手段之一(Kirby et al．，1996; Thimm
et al．，2000; Davies et al．，2003; Niimura et al．，
2010)，利用 AFM 研究木材及其他植物细胞壁纤维
素微纤丝聚集体也取得了一些进展( Fahlén et al．，
2002; 2003; 2005; Zimmermann et al．，2006; Thimm
et al．，2009; Cybulska et al．，2013)。
本文以 1 年生慈竹(Neosinocalamus affinis)为研
究对象，通过处理制备出适合直接观察的样品，利用
AFM 研究竹纤维细胞和竹薄壁细胞纤维素微纤丝
聚集体的分布规律，为竹纤维及竹材的加工利用提
供理论支持。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
慈竹，1 年生，采自四川长宁，气干，放置至含水
率为 8% ～ 12% ; 30%双氧水、冰醋酸均为分析纯。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 样品制备 将竹肉部分切成小竹条放入
30%双氧水和冰醋酸的体积比为 1 ∶ 1的溶液中，在
60 ℃水浴锅中保持 14 h 进行脱木素处理。用去离
子水将脱木素样品洗至中性，并冷冻干燥 24 h，获得
竹材样品(图 1A)。从样品中挑出一小束，用 Spurr
树脂包埋，70 ℃聚合 8 h(图 1B)。通过滑走切片机
修块，超薄切片机钻石刀抛光(图 1C)，最后在原子
力显微镜下观察(图 1D)。
图 1 样品制作过程
Fig． 1 Preparation of samples
A．脱木素冻干样品 Freeze dried delignified bamboo strips; B． 树
脂包埋 Fixed in spurr resin; C．修块和抛光 Cutting and polishing;
D． AFM 下观察 Observation with AFM．
1. 2. 2 试 验 方 法 采 用 AFM ( Icon， Burker
Corperation，Santa Barbara，US)中的 Tapping 模式成
像，室温(23 ± 2) ℃，相对湿度 35% ± 5%，微悬臂
长度 125 μm，力常数 42 N·m － 1，使用商用硅探针，
针尖半径为 8 nm，振动频率为 320 kHz。扫描速度
1. 0 Hz，扫描角度 0°，Tapping 频率范围 340 ～ 380
kHz。在不影响图像测量精度的前提下，利用仪器
自带的软件(NanoScope Analysis 4. 0)处理图像以获
得更清晰的图像，图像分辨率为 512 512。
2 结果与分析
在 AFM 中一次扫描可以得到不同数据类型的
图像，其中高度图反映材料表面形貌的高度特征，可
以直接利用此类图像的高度数据来评价材料表面的
粗糙度; 相图适合反映材料表面不同区域力学性质
的差异，并且常能够显示一些高度图中不可见或者
只能隐约可见的特征 (Hansma et al．，1997; Fahlén
et al．，2003; 余雁等，2008)。在高度图中，不同的
亮度代表不同的高度，越亮的地方表示高度越高，越
暗的地方表示高度越低，是衡量样品平整度的有效
指标(Thimm et al．，2009)。在相图中，纤维素微纤
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第 2 期 陈 红等: AFM 技术观察慈竹纤维和薄壁细胞断面微纤丝聚集体特征
丝是亮色的部分，非纤维素多糖基质及微纤丝之间
的空隙是深色部分，因为这种基质的弹性和硬度明
显小于微纤丝(Fahlén et al．，2003; 2005)。
2. 1 细胞壁横截面纤维素微纤丝聚集体分布
采用 AFM 观察竹纤维细胞壁横截面，首先在光
镜下定位到需要观察的细胞 (图 2A)，十字相交点
为扫描位置，扫描成像的高度图和相图分别为对应
的图 2B 和图 2C，图 2D 为三维相图。由图 2 可以看
出，不管是高度图还是相图，都能够看出竹纤维细胞
壁呈现出多壁层结构，这与以往基于 TEM 和偏振光
显微 镜 等 技 术 手 段 的 研 究 结 论 是 一 致 的
(Parameswaran et al．，1976; 1980)。此外，在相图的
二维图和三维图中能够清晰地观察到纤维细胞壁层
中微纤丝聚集体的分布。
图 2 竹纤维细胞壁微纤丝聚集体分布
Fig． 2 Typical AFM images of bamboo fiber cell wall
A．光镜定位图 Cross section of bamboo cell wall; B．高度图 Height image; C．相图 Phase image; D．三维相图 Three dimensional phase image．
图 3 是一个维管束内不同位置竹纤维细胞壁横
截面的成像，图 3B 中纤维素微纤丝聚集体的分布
密度比图 3D 小，且从细胞壁内侧到细胞壁外侧，纤
维素微纤丝聚集体的密度都呈不均匀分布。这说明
处于不同位置的纤维细胞壁，各壁层的纤维素微纤
丝分布密度不同，在一个细胞壁内，所处的位置不
同，纤维素微纤丝的分布密度也不同。但从图 2C，D
以及图 3B，D 中都可以看出壁层相邻的位置处亮度
高而且高亮度的物质比较密集，这说明无论位于何
处的纤维，其细胞壁中壁层与壁层相邻的位置纤维
素微纤丝聚集体的数量明显比壁层内多，而且排列
紧密。
另外，在整个细胞壁的横截面，纤维素微纤丝聚
集体排列形式都呈随机的无序排列。 Fahlén 等
(2003)研究挪威云杉(Picea abies)纤维细胞壁横截
面纤维素微纤丝聚集体排列，结果表明纤维素微纤
丝聚集体沿着弦向呈一定顺序排列，但 Zimmermann
等(2006)通过研究不同方式制备出的挪威云杉纤
维细胞壁横截面纤维素微纤丝聚集体的排列方式，
观察到细胞壁横截面上纤维素微纤丝聚集体的排列
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林 业 科 学 52 卷
方式因制备方式不同而不同，其中通过打磨的纤维
横截面被认为最接近原始状态，其纤维素微纤丝聚
集体 呈 随 机 排 列。 Zimmermann 等 ( 2006 ) 认 为
Fahlén 等(2003)观察到纤维素微纤丝聚集体沿着
弦向呈一定顺序排列可能是因为在利用钻石刀切片
制备样品中导致纤维素微纤丝聚集体重新排列导致
的。本研究中采用是与 Fahlén 等(2003)相似的钻
石刀切片方法，但 Fahlén 等(2003)制备的是单根纤
维树脂包埋切出 0. 5 μm 的切片，而本研究只是竹
材部分脱木素后进行树脂包埋，并且只是对需要观
察的面用钻石刀进行剖光，所以对细胞壁横截面纤
维素 微 纤 丝 排 列 形 式 影 响 较 小，得 到 了 与
Zimmermann 等(2006)打磨木材细胞壁横截面纤维
素微纤丝聚集体排列类似的结论。
图 3 不同位置竹纤维细胞壁中微纤丝聚集体的分布
Fig． 3 Typical AFM images of different bamboo fiber cell wall
A．高度图 Height image; B．三维相图 Phase image; C．高度图 Height image; D．三维相图 Phase image．
微纤丝聚集体作为细胞壁力学性能的主要承担
者，在一定程度上决定了细胞壁的力学强度。以往
竹纤维细胞壁拉伸力学性能的研究中，1 年生慈竹
纤维的拉伸强度可高达 1 780 MPa ( Chen et al．，
2011)，而马尾松 (Pinus massoniana)细胞壁的拉伸
强度不到 1 000 MPa(张双燕，2011)，这很可能是因
为竹纤维细胞壁中微纤丝聚集体与木材细胞壁中微
纤丝聚集体不同造成。在以往研究中显示木材细胞
壁中微纤丝聚集体在整个细胞壁中分布密度相对均
匀(Fahlén et al．，2005; Zimmermann et al．，2006)，而
竹纤维整个细胞壁中微纤丝聚集体的分布密度因位
置不同而改变，这也为仿生材料的结构设计提供了
理论依据。
为了与竹纤维细胞壁对比，同样定位扫描了竹
薄壁细胞横截面，结果发现薄壁细胞壁层结构和纤
维素微纤丝聚集体分布与竹纤维细胞壁有一定的差
别(图 4)。薄壁细胞也呈多层结构，且壁层数量比
竹纤维细胞壁多，这与刘波 (2008)基于 TEM 研究
的结果一致: 纤维细胞从出笋到 1 年形成 3 ～ 6 层
次生壁，而竹薄壁细胞形成 6 ～ 11 层次生壁。从图
4B 和 D 可以看出，竹薄壁细胞壁中的纤维素微纤丝
聚集体密度比竹纤维细胞壁小很多，纤维素微纤丝
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第 2 期 陈 红等: AFM 技术观察慈竹纤维和薄壁细胞断面微纤丝聚集体特征
聚集体是细胞壁力学强度的主要承担者，这也是造
成薄壁细胞力学强度比纤维细胞壁低很多的原因之
一。而壁层与壁层相邻的地方纤维素微纤丝聚集体
的密度比壁层内大，且比竹纤维细胞壁中更明显。
同时，薄壁细胞壁中纤维素微纤丝聚集体排列也和
纤维细胞壁中一样，都呈随机的无序排列。
图 4 竹材薄壁细胞壁横截面微纤丝聚集体分布
Fig． 4 Typical AFM images of bamboo parenchyma cell wall
A．光镜定位图 Cross section of bamboo cell wall; B．高度图 Height image; C．相图 Phase image; D．三维相图 Three dimensional phase image．
2. 2 细胞壁横截面纤维素微纤丝聚集体尺寸分布
对竹纤维细胞壁壁层内纤维素微纤丝聚集体的
大小进行观察(见图 5)。不难发现，不仅纤维素微
纤丝聚集体的分布密度会因为竹纤维在竹材中的位
置而不同，纤维素微纤丝聚集体的大小也因为竹纤
维在竹材中的位置不同而改变。在图 5B 中大多单
根纤维素微纤丝聚集体直径比图 5D 中纤维素微纤
丝聚集体的大，但在一个细胞壁的不同壁层，纤维素
微纤丝聚集体的尺寸变化不大，这与整个木材细胞
壁横截面上纤维素微纤丝聚集体的平均尺寸相差不
大的结论是一致的(Fahlén et al．，2005;Salmén et al．
，2006)。对于竹薄壁细胞壁，在一个细胞壁不同壁
层内，纤维素微纤丝聚集体的尺寸变化很大，如图 6
中箭头所指的纤维素微纤丝聚集体，其直径就是一
个壁层的直径，而其他壁层内的纤维素微纤丝要小
很多。由于纤维素微纤丝聚集体是纤维细胞和薄壁
细胞壁的力学主要载体，纤维素微纤丝聚集体的尺
寸大小以及这种尺寸分布规律，也是造成二者力学
性能差异的部分原因。另外，在研究细胞壁力学性
能时，发现细胞壁横截面不同位置模量差异比较大，
可能主要是纤维素微纤丝聚集体在细胞壁中尺寸变
化及分布规律造成的。
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林 业 科 学 52 卷
图 5 不同位置竹纤维细胞壁微纤丝聚集体尺寸分布
Fig． 5 Typical AFM images of cellulose microfibril aggregates in bamboo fiber cell wall
A．高度图 Height image; B．相图 Phase image; C．高度图 Height image; D．相图 Phase image．
图 6 竹材薄壁细胞壁微纤丝聚集体尺寸分布
Fig． 6 Typical AFM images of microfibril aggregates in bamboo parenchyma cell wall
A．高度图 Height image; B．相图 Phase image．
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第 2 期 陈 红等: AFM 技术观察慈竹纤维和薄壁细胞断面微纤丝聚集体特征
3 结论
利用 AFM 对竹材细胞壁进行观察，通过对样品
进行适当处理，不仅操作相对同分辨率的手段简单，
而且还可以进行定位观察，除了能够获得传统手段
得到的细胞壁多壁层结构外，还能获得纤维素微纤
丝聚集体的分布，是一种便捷、有效的手段; 竹纤维
细胞壁和竹薄壁细胞的横截面纤维素微纤丝聚集体
都呈随机的无序排列; 不同位置的纤维细胞壁各壁
层的纤维素微纤丝聚集体分布密度不同; 一个细胞
壁内各层内的纤维素微纤丝聚集体的密度也不同，
并且在壁层与壁层相邻的位置纤维素微纤丝聚集体
的密度明显大于壁层内纤维素微纤丝聚集体的密
度，同时，这一现象在竹薄壁细胞横截面上表现的更
明显; 纤维素微纤丝聚集体的尺寸在一个竹纤维细
胞壁中大小变化不大，而在薄壁细胞中变化较大。
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(责任编辑 石红青)
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