植物细胞壁具有的天然抗降解屏障,是发展以植物为生物质原料生产可再生能源、化学品及生物基材料等绿色产品的重要制约因素。全面了解植物细胞壁复杂结构与化学性质是突破这一制约瓶颈的关键。拉曼光谱成像技术作为一种原位测定方法,能同时获得植物细胞壁主要组分的空间与化学信息,已成为研究植物细胞壁微区化学相关问题的有力工具。然而,现有拉曼光谱数据处理分析技术多基于单光谱,难以适应海量拉曼光谱成像数据的分析要求。目前根据植物细胞壁拉曼光谱特点而定向开发的分析手段未见报道。针对该问题,本论文基于多元数据分析原理,围绕植物细胞壁拉曼光谱成像数据构建了海量数据降噪处理与光谱自动分类分析方法,实现植物细胞壁光谱成像数据全利用。在此基础上,将构建的方法用于解决纤维素与半纤维素拉曼光谱重叠问题、探究离子液体预处理细胞壁主要组分溶出机理和脱木质素过程中细胞壁各层木质素定量,以深入挖掘拉曼光谱成像技术在植物细胞壁化学组分解译研究方面的潜力。本论文的主要研究内容如下:(1)提出了用于消除植物细胞壁拉曼光谱基线漂移与宇宙射线干扰峰噪声的海量成像数据预处理新方法(Automatic pre-processing method for Raman imaging data set,APRI)。该方法采用自适应迭代重加权惩罚最小二乘基线校正算法(Adaptive iteratively reweighted penalized least-squares algorithm,airPLS)与主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)识别噪声信号并加以消除,可在保留原数据重要信息的前提下,实现不同类型植物细胞壁(针叶木、阔叶木与禾本科植物)拉曼光谱全自动降噪,具有算法结构简单、运算速度快的特点。降噪过程摒除了人为干扰因素以提高结果的稳定性与可重复性。APRI处理后的拉曼光谱可用于奇异值分解、多元曲线分辨等对数据异常值敏感的分析方法。此外,该方法理论上能够拓展应用于红外、紫外等其他类型的光谱成像数据降噪。(2)基于PCA与聚类分析(Cluster Analysis,CA)算法构建了植物细胞壁拉曼光谱成像数据自动分类新方法,实现从海量成像数据中剥离细胞壁不同分层结构的拉曼光谱。该方法包括5个步骤:①植物细胞壁拉曼光谱成像数据获取;②光谱成像数据经APRI降噪;③根据特征峰峰强进行PCA计算;④对主成分进行聚类分析;⑤验证聚类分析结果的有效性。采用本方法获得的植物细胞壁分层结构平均拉曼光谱是对所有成像数据的统计结果,避免了手动抽取光谱进行计算的偶然性。杨木细胞壁拉曼光谱特征峰相关性研究结果显示,1331 cm-1特征峰不应归属于纤维素,而应定义为木质素特征峰。(3)采用自模式曲线分辨(Self-modeling curve resolution,SMCR)的多元曲线分辨方法分析经APRI处理后的单糖混合样品与植物细胞壁拉曼光谱成像数据。证明SMCR可用于分离糖类物质的拉曼光谱,但植物细胞壁中木质素的存在会阻碍纤维素和半纤维素光谱区分。对植物细胞壁采用NaC1O2脱除部分木质素后,该问题得到改善。纤维素与半纤维素重叠光谱成功分离,并获得了对应组分的半定量分布图。研究发现,杨木纤维细胞次生壁S1层和次生壁S2层外侧的半纤维素浓度高于其他细胞壁分层结构;杨木导管的半纤维素浓度比纤维细胞更高。(4)采用拉曼光谱成像技术探究杨木细胞壁离子液体EmimAc预处理的溶解机理。研究表明离子液体渗入细胞壁导致次生壁发生润胀,较厚的邻近细胞角隅次生壁与较薄的邻近复合胞间层次生壁最终润胀程度趋于相同:前者润胀2.02倍,后者润胀2.00倍。通过分析APRI处理后的植物细胞壁拉曼光谱,发现细胞壁组分溶解过程分为两个阶段:①离子液体渗透导致细胞壁缓慢润胀;②组分快速溶解。当阶段①达到一定程度后之后阶段②才会发生,直至细胞壁组分完全溶解于离子液体中。(5)采用拉曼光谱成像技术定量研究杨木细胞壁NaC102脱木质素的动态变化规律。为了使成分分析结果与拉曼成像结果对应,统一选用杨木木质部横切片作为原料。通过预测未处理样品随处理时间延长拉曼光谱的变化趋势,获得木质素分布动态图,实现显微镜固定视野范围内的跟踪检测。根据连续拉曼成像图、成分分析结果与细胞壁分层结构拉曼光谱自动识别方法,定量计算了该反应过程中细胞壁各层的木质素含量。研究结果表明,原料的次生壁木质素占72.26%(g/g),复合胞间层占21.22%(g/g),细胞角隅占6.52%(g/g)。反应结束后共脱除31.71%(g/g)木质素:其中次生壁占53.83%(g/g),复合胞间层占33.18%(g/g),细胞角隅占12.99%(g/g)。次生壁木质素脱除过程包括反应液缓慢渗透和木质素快速脱除两个阶段。