Photoacoustic and photothermal spectroscopy open a new chapter of botanical research

初次结识光声光热光谱（photoacoustic and photothermal spectroscopy）是由于一篇PNAS论文，美国学者Khodakovskaya等证实了多壁碳纳米管（MCNT）对番茄生长的影响的分子假设，他们发现多壁碳纳米管处理的植株叶片和根的光声和光热的信噪比较大，信号强度大。在“Complex genetic, photothermal, and photoacoustic analysis of nanoparticle-plant interactions”的文章中，作者使用了拉曼光谱、光声和光热光谱、分子生物学等手段验证了他们2009年在ACS Nano的设想，那篇2009年的文章报道的同样是碳纳米管对番茄生长的影响，当时他们发现碳纳米管能够显著的促进植株的生长，推测与水通道基因的表达上调有关，但没有实证。经过两年的积累，他们证明了之前的假设是正确的，碳纳米管能够显著上调与病原菌、水通道和其它逆境相关基因的表达。这些与逆境相关基因表达上调了，植物的生物量增大了，看来植物在逆境中也比较容易“成才”。两年多的研究发了PNAS，总体上应该说是一项比较圆满的试验结果。

纳米材料对环境和人体潜在风险的影响的研究最近几年非常火热，对植物体生长的影响的研究还很少涉及，主要是因为这是一门交叉性比较强的学科，既要有植物生物学知识，还要了解材料化学的东西。从目前的报道来看，纳米材料（包括碳纳米管、金属纳米粒子和金属氧化物纳米粒子等）对植物生长的影响出现了相互矛盾的结果，有的是促进的，而有的没有影响或者抑制生长的。到底是怎么个情况，需要更多的研究或者有牛人来个荟萃分析，当然这些都不是本文的重点。回到之前的话题，为什么光声光热光谱开启了植物学研究的新篇章？光声光热技术普遍应用于物理、化学和生物医学研究领域，由于快速无损且能够获得大量有价值的信息，优于一般的光谱分析方法，但这种方法用于植物学的研究还很少报道。它能够对植物活体完整测定，如有人对单瓣的兰花人为摘取花粉之后，可观察到植株较快的产生乙烯，并使兰花花瓣发生枯萎采用的就是光声光谱法。相比于叶绿素荧光技术，它能够直接测定植株的光热效应，即有多少光能转化为非辐射的热耗散。这些都是光声光热光谱的特性。

光声光热光谱技术基于光声效应（photoacoustic effect）。光声效应是指当光照射到密闭容器的样品时，容器内产生声波，而这种声波来源于物体所吸收的光谱线，是Bell首先在1880发现的现象。之后的一百多年，光声光热光谱的研究基本处于停滞状态，直到Rosencwaig建立固体光声RG理论。中科院上海硅酸盐研究所的殷庆瑞研究员发明了世界领先的扫描电声显微镜，从而使这项技术普遍化和更加实用。引以为傲的是，殷庆瑞老师的电声显微镜还能够出口到国外，帮助世界上的同行进行基础研究，是我国自主研发、为数不多研制成功且商业化的科学仪器。光声光热技术用于植物学的研究，现在还比较少，中科院植物所的樊大勇等人发表了若干篇研究论文。前几天在《安徽农业科学》看到湛江师范学院副教授列光华等发表的“菠萝树叶光声层析光谱及其光合作用效率的研究”的论文，他们认为自制的光声池可以用于研究植物的光合作用。光声池是光声光谱仪检测装置的核心部件。秦璨等最近综述了适用于植物光合作用的光声池设计的研究进展，他们认为光声光镍操控检测的光声池、光声显微成像亚表面检测光声池、固体傅里叶变换红外光声谱检测光声池和光声拉曼显微检测光声池等是新型光声池设计的重点进展方向。

最近一直在看殷庆瑞研究员等人的专著《光声光热技术及其应用》，感觉很吃力！未来植物学的研究交叉学科的东西会越来越多，如上段提到的几种新型光声池设计的研究，我基本上连最起码的概念都不懂，感觉需要学习的东西简直太多了！如果对新知识、新技术和新方法没有敏锐的洞察力和学习能力，要不几年，看发表的新论文就有可能看不懂，这是一点都不含糊的。期待光声光热技术在植物科学的研究中大放异彩。

参考文献：

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秦璨, 卢荣德, 王庆飞, 等. 适用于植物光合作用的光声池设计研究进展. 激光生物学报, 2011, 20(5): 569-574.

Khodakovskaya MV, de Silva K, Nedosekin DA, et al. Complex genetic, photothermal, and photoacoustic analysis of nanoparticle-plant interactions. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011, 108(3):1028-1033.

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