專論綜述 | 生物質基光學材料研究進展

在億萬年的生命史中，自然選擇與進化的力量創造了大量神奇的結構與功能。在科技發展歷程中，許多難題的解決與攻克都是來源於自然給予的智慧與靈感。

通過對這些大自然數億年進化中產生的結構與功能的學習與了解，人們使用相關的有機或無機基元構築具有類似結構或者功能的材料，廣泛應用在建築、軍事以及生命科學等相關領域。在當下石化與礦石能源日益枯竭的背景下，石化與礦物衍生出的有機與無機構築單元也面臨著不可再生、高成本以及環境載荷大等問題。

木材及樹木相關生物質是一類可再生、儲備量大且綠色的資源。如能使用木材及樹木相關生物質替代傳統石化基與礦物基成為新型的材料構築單元，則可大大緩解當前面臨的能源與環境問題。

基於此，近年來使用綠色生物質基元構築具有奇異特性的光學材料獲得廣泛關注。

該類生物質基光學材料主要是以宏觀木材結構、木材細胞壁三大素（纖維素、半纖維素及木質素）、樹木次生代謝產物、海洋多糖生物質為基元，通過其自身構效特徵或者與其他異質基元進行複合，實現相關光理化功能（圖1）。

相對於使用傳統有機或無機材料構築功能性材料，使用木材或者相關生物質具有綠色廉價、來源廣泛及可持續發展等優點。

近年來，國內外學者在相關領域進行了大量研究並取得了豐富的成果。為了更好地梳理總結生物質基光學功能性材料的相關研究概況，進一步凝練該領域近年來的科學問題，東北林業大學陳志俊，高鶴等對該領域近年來的重要研究成果進行了綜述。

 

螢光，又作「螢光」，是指一種光致發光的冷發光現象。當某種常溫物質經某一波長的入射光（通常是紫外線或Ｘ射線）照射，吸收光能後從基態躍遷到激發態，然後立即回到基態，同時發出比入射光波長更長的出射光（通常波長在可見光波段）。很多螢光物質一旦停止入射光的照射，發光現象也隨之立即消失。具有上述性質的出射光就被稱之為螢光。16世紀西班牙的內科醫生和植物學家N.Monards記錄了螢光現象，17世紀Boyle和Newton等著名科學家又觀察到螢光現象並且對螢光現象進行了大概的描述。1852年，Stokes在考察奎寧和葉綠素的螢光時，確定這種現象是這些物質在吸收光能後重新發射不同能量的光，從而引入了螢光是光發射的概念。學者們對如何構築模擬大自然螢光發射行為的高性能材料進行了大量的研究。目前螢光材料從製備原料來進行劃分，大概可以分為以下幾類：有機分子/聚合物螢光材料、無機稀土/量子點螢光材料、配合物螢光材料及碳基螢光材料等。在林木芳香生物質與多糖生物質螢光領域，主要研究通過水解提取、水熱碳化或分子組裝等手段製備具有螢光發射功能的有機聚集發光或碳基材料。1.1　林木芳香生物質與多糖生物質聚集誘導發光材料螢光材料在新一代平板顯示器件、太陽能電池、雷射器、傳感器等領域發揮了重要作用。但是應用於這些功能材料的有機螢光材料大多具有大π共軛體系，在稀溶液中有較高的螢光量子產率，而在聚集狀態（高濃度溶液或者固態）下，分子間緊密的π-π堆積形成激基締合物（excimers），導致螢光變弱甚至完全消失，這一現象即為聚集導致螢光淬滅（aggregation-caused quenching，簡稱ACQ）。2001年，Luo等發現噻咯（Siloles）衍生物在稀溶液中幾乎不發光，但在聚集態下發光卻明顯增強（圖２）。他們將這種反常的現象稱為聚集誘導發光（aggregation-induced emission，AIE）。AIE化合物的獨特發光性質引起了科學界的極大關注，很多課題組對AIE化合物的結構設計進行了深入的探索，並相應提出了不同的AIE發光機制，例如分子內旋轉受限（restriction of intramolecular rotations，RIR） 機制、非輻射失活衰減受限機制等理論。近10多年來，AIE領域的研究已經有了突飛猛進的發展。目前而言，大部分具有的AIE分子都是通過有機合成，相較於這些合成的AIE分子，木材次生代謝物及相關生物質也具有聚集發光性能，且與傳統的合成AIE分子不同，生物質基的AIE分子具有原料綠色、製備簡單、可宏量製備等優勢。2018年，He等研究發現，可以從生物質材料槐米中通過簡單的「分離-提取-純化」獲得氫鍵類AIE化合物槲皮素。槲皮素結構中的羥基賦予其分子間強烈的氫鍵作用，氫鍵是形成超分子的一類很重要的非共價鍵。對光物理性質的研究認為，有機分子間形成氫鍵能使它們的構型更具剛性，從而抑制分子內旋轉，有利於降低無輻射衰減，增加發光強度。激發態分子內質子轉移（excited stateintramolecular proton transfer，ESIPT）化合物就是一個很好的例子。ESIPT 現象是指化合物分子在光、熱、電等作用下，由基態躍遷到激發態以後，分子內某一基團上的氫核（即質子）通過分子內氫鍵轉移到分子中鄰近的N、S、O等雜原子上，形成相應的互變異構體的過程。相比於一般的有機發光化合物，ESIPT化合物具有其獨特的E-E*-Ｋ*-K-E四能級躍遷，其中，E和E*分別代表醇式（enol）結構的基態與激發態，Ｋ和Ｋ*則分別代表酮式（keto）結構的基態與激發態。通常，ESIPT化合物在基態下以醇式結構穩定存在（E），而在激發態時則以酮式結構（Ｋ*）穩定存在。由於該類化合物特殊的發光性質與光物理行為，使其在雷射材料、電致發光、光存儲以及分子傳感等領域有著廣泛的應用。槲皮素在四氫呋喃中具有良好的溶解性，在四氫呋喃中槲皮素的ESIPT效應被顯著地壓制，主要表現出enol態（429nm）發射。隨著不良溶劑水的加入，槲皮素開始聚集形成類纖維網絡結構，ESIPT效應增強，keto發射（530nm）增強，並且keto 發射的強度隨著水的比例升高呈現出正相關趨勢。但是，隨著水溶液在整個體系中的佔比超過90％，其整體螢光呈現出下降趨勢，不再有AIE現象。這種現象是由於當水在混合體系中的佔比超過90％時，槲皮素所形成的類纖維狀網絡結構無法在該體系中穩定存在，從而發生沉降，無法被螢光分析信號所捕捉。除了可使用「良溶劑⁃不良溶劑」調控槲皮素的AIE行為，也可以使用濃度調控槲皮素的AIE行為。當槲皮素在四氫呋喃的濃度越高時，其越容易聚集，促進其ESIPT效應，主要呈現出keto發射。當槲皮素在四氫呋喃中濃度較稀時，其分子內ESIPT效應減弱，主要呈現出enol發射。總體而言，槲皮素表現出優異的AIE與ESIPT性能。在兩者協同下，槲皮素可以呈現比率型的螢光變化，當聚集程度較高時，激發態分子內質子轉移過程加劇，酮式螢光加強；反之，激發態內質子轉移過程減弱， 槲皮素主要呈現出烯醇態螢光。Gu等報導了天然產物黃連素也具有AIE效應，並且在研究中證明了該天然產物的AIE是與分子內苯環振動與電荷轉移相關的。在稀的極性溶液中，有兩個亞甲基連接的異喹啉環與苯環之間可以發生分子內振動。甲氧基和季氮原子作為供、吸電子基團在分子內形成較強的電荷轉移作用。當加入極性較弱的不良溶劑時，化合物分子相互聚集，化合物局部的環境變為非極性，電荷轉移到海藻酸鈉微納簇結構，這些通過溶劑置換得到的海藻酸鈉微納簇表現出強螢光發射。在驗證構效關係的研究中發現海藻酸鈉中兩種構型單元（Ｇ和Ｍ） 都對海藻酸鈉的簇發光有所貢獻。Wang等在通過高斯密度泛函理論研究海藻酸鈉簇發光時，發現海藻酸鈉中的飽和氧原子與羰基碳的距離小於3.2Å， 且所形成的線面角（Burgi-Dunitz angle）在95°～125°，這意味著該體系中的飽和氧原子可以與羰基發生n-π*空間共軛，極大地降低了HOMO-LUMO間的分子軌道能級，促進螢光發射。總體而言，相較於其他的AIE體系，該類體系的研究仍處於初始階段，尤其是機制研究尚未有非常可靠的實驗性數據來進行驗證。
碳量子點（carbon quantum dots）是近些年來出現的一種新型的碳納米材料，是一類尺寸小於10nm的碳納米微球，該類材料也擁有模擬大自然螢光特性的螢光發射能力。2004年，Xu等偶然從純化電弧放電製備單壁碳納米管的過程中發現碳量子點，隨即引發了對碳量子點的大量研究。碳量子點有許多優點，比如較好的光穩定性、良好的水溶性、較強的化學惰性和易於改性等，這些優點使碳點被應用於螢光墨水、催化、離子傳感。碳點優異的生物性能，例如低毒性和良好的生物相容性，使碳點在生物成像、生物傳感和藥物傳遞等應用中有很大的發展前景。Niu等最近發現了一種從天然產物中製備碳點新方法——分子聚集法。分子聚集法是一種簡單、綠色的製備碳點的方法，不需要加熱或者其他能量的輸入。此方法是基於芳香族生物質分子，利用分子間作用力，使其自組裝形成具有超共軛體系，且具有超小納米形貌的碳納米點。研究中使用木質素為原料，使其在溶液中自組裝形成具有Ｊ型堆積結構的納米顆粒（圖3）。該納米顆粒表現出良好的螢光發射性能，且具有激發依賴性。研究表明，該木質素碳點還具有上轉換發光性能。由於該木質素具有較為突出的螢光性能，加上其本身良好的生物相容性，故其在生物成像中表現出良好的效果。Gao等以柳樹葉為原料進行水熱處理，開發了一種合成摻氮碳點（N-CdS）的綠色策略。該上清液在紫外光照射下表現出強烈的藍色螢光，可直接用作螢光油墨，而熱解固體產物對高效氧還原反應具有優異的電催化活性和穩定性，甲醇/CO耐受性優於商用Pt/C催化劑。Pourreza等以朱莉花葉片為原料，一鍋法合成製備碳點，製得的碳點顯示為藍色螢光，量子產率為5％。並開發了一種簡便、綠色的雙螢光傳感器，用於汞和重金屬離子的抗中毒藥物（Chemet）傳感，該方法成功應用於水和人血清樣品中Hg（Ⅱ）和Chemet的測量。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種生物質原料，是由吡喃葡萄糖單元通過β-（1，4）-糖苷鍵連接而成的線性大分子，每個葡萄糖單元上有3個活潑羥基可以發生一系列與—OH基有關的化學反應。纖維素基螢光材料近年來被學者廣泛研究，大體上可由物理法和化學法製備。物理方法是將螢光物質摻雜到纖維素基質中。Qi等把纖維素溶解於預冷到－12℃的含有7％NaOH和12％ 尿素混合溶液中，然後通過一種簡單、低成本的方法從纖維素溶液中製備了一系列再生纖維素薄膜。用螢光染料和光致發光染料處理再生纖維素薄膜，首次製備出具有強螢光和長餘輝發射的新型光致發光材料（圖4）。一系列的測試結果表明，透明再生纖維素膜具有均勻的結構、優異的透光率（800nm處的透光率為90％）和良好的拉伸強度。此外，生物降解測試表明，再生纖維素薄膜可以完全生物降解。化學法製備纖維素螢光材料是將螢光基團共價鍵接到纖維素分子上，克服了螢光小分子在應用中易脫落、與基材相容性不好等缺點，同時螢光團在纖維素中穩定均勻地分散，具有較好的光致發光性能。化學法製備纖維素基螢光材料可以通過酯化、交聯、氧化、接枝共聚、表面修飾、點擊反應以及其他非尋常的衍生化反應實現。Guo等提出了一種由碳量子點（CQDs）和TEMPO氧化纖維素納米晶（TO-CNCS）組成的具有良好生物相容性和光致發光雜化材料的構建方法。首先，用簡單的微波法合成了氨基功能化碳量子點（NH2-CQDs），並通過鹽酸水解和TEMPO介導氧化製備了TO-CNCS；然後，通過碳二亞胺輔助的偶聯反應將NH2-CQDs和TO-CNCS偶聯製得光致發光雜化材料。細胞活力測試表明，與NH2-CQDs的表面偶聯不僅提高了TO-CNCS的細胞相容性，而且在培養4和24h後，還增強了它們在HeLa和RAW 264.7細胞上的細胞結合和細胞內化。 「光生熱」是在自然界中最普遍的一種現象。太陽輻射到地球的輻射能中，50％的總輻射能為可見光能，43％的輻射能為紅外光能，可見與紅外光能可以通過光熱材料轉化為熱能進行利用。光熱材料大致可以分為碳基光熱材料、無機光熱材料、共軛聚合物、磁性納米材料及其他光熱材料，這些材料大部分需要較為複雜的製備工藝或昂貴的原材料。碳基光熱材料因其碳原子能形成巨大的共軛體系，對可見-近紅外區的光有較強的吸收能力，擁有很強的光熱轉化效率；無機光熱材料常見的為Au、Ag、Pt、Pb等貴金屬納米粒子和一些半導體納米晶體，通過調節貴金屬粒子的尺寸和形貌可以擴大其吸收光範圍提升光熱轉化效率；共軛聚合物易於製備和加工，對光的吸收可以在寬的吸收光範圍內進行調節；磁性聚合物主要有Fe3O4、磁流體、鐵磁微晶、磁性脂質體、鐵碳複合物和超順磁性氧化鐵。黑磷是磷的一種同素異形體，2014年作為一種新型二維半導體材料被發現後，因其優異的近紅外光學性能成為了一種新型的光熱轉化材料。Liu等在500℃下對天然木材表面進行熱處理，讓其表面碳化，使得其吸收光域由原來的「紫外⁃可見」光區有效拓展至「紫外-近紅外」 光區，可有效將太陽光轉化為熱能。結合木材天然孔道結構，利用該光熱層可在1個太陽能量密度下實現74％的高蒸汽發生效率。2019年，Chen等通過優化木材熱管理，將木材表面碳化形成光熱層後，同時對木材進行脫木素處理，降低木材熱傳導率，更好地將熱量保持在木材表面用於水分蒸發，以此方法製備的太陽光熱木質太陽能蒸汽發生裝置在1個太陽下實現了89％的高蒸汽發生效率，並且蒸發速率高達1.3kg/（m2·h）。碳基光熱材料除了可用於水分蒸發外，Li等還將由香蕉皮、橙皮、落葉、竹子和樹枝等生物質製備的光熱碳膜覆蓋在容器中水的表面，在光照條件下，容器中的水迅速升溫至121℃，可高效除去水中的細菌。在研究中，Luo等發現植物單寧類化合物可以與鐵離子發生絡合，生成藍黑色物質。他們將鐵離子引入落葉松提取單寧中，通過鐵與多酚間的分子絡合作用，使其與單寧生成藍黑色的光熱物質。該光熱物質在陽光照射下，可在16min內升溫30℃，此光熱效率堪比昂貴的石墨烯材料。該材料的光熱轉化原理為通過鐵離子與多酚的絡合作用將提取單寧的激發態電子輻射躍遷轉化為非輻射躍遷，從而增強其光熱轉化效率。除此之外，Liu等利用水解單寧分別與FeⅢ、VⅢ與RuⅢ絡合製備納米光熱材料，該光熱材料在808nm近紅外雷射的照射下，光熱轉化效率達到40％，在10min內可將溫度由室溫（25℃）升至70℃。該光熱材料的主要工作機制為通過將單寧與金屬離子絡合，促進分子內電荷轉移，有效降低分子能級軌道，從而將分子的光吸收由高能量紫外⁃藍光區拓寬至紫外⁃近紅外區，使其在近紅外光區擁有良好的光熱轉化效率。微晶纖維素是植物細胞壁的主要組分，根據這些微晶纖維的取向，細胞的機械性能可以由剛性轉化為柔性。在一些特殊的植物中，纖維素微纖組織以螺旋結構的形式包裹在細胞周圍，從而表現出各向異性的光學特性。一些植物的花、葉子和果實通過纖維素納米結構的取向排列表現出絢麗的虹彩顏色。微晶纖維素是植物細胞壁的主要組分，根據這些微晶纖維的取向，細胞的機械性能可以由剛性轉化為柔性。在一些特殊的植物中，纖維素微纖組織以螺旋結構的形式包裹在細胞周圍，從而表現出各向異性的光學特性。一些植物的花、葉子和果實通過纖維素納米結構的取向排列表現出絢麗的虹彩顏色。20世紀50年代，纖維素納米晶體的手性向列型液晶被發現能夠形成手性向列液晶相。在手性向列型液晶中，棒狀液晶具有特徵重複距離扭轉的取向順序，這個重複距離稱為螺距。手性向列型液晶相的形成可以利用偏光顯微鏡（POM）觀察纖維素納米晶體分散體系中水分蒸發時的指紋圖譜來確認。手性向列結構的螺旋順序可以產生絢麗的虹彩色，這些顏色可在植物和某些動物的身上觀察到，反射波長取決於螺距、折射率和觀察角度。由於手性向列結構可以是左旋或右旋的，反射光為了匹配相位的手性總是以圓偏振的形式存在。3.1　木質纖維素納米晶體手性向列結構色溼敏仿生薄膜纖維素納米晶體（CNCs）通常在室溫環境條件下緩慢蒸發自組裝，產生具有虹彩顏色的薄膜，這是一種自下而上製造有序結構的有效方法。可以通過控制手性向列結構的螺距，以調節反射的顏色，這進一步受到CNCs性質的影響，因此，纖維素納米晶體的製備和後處理是調節結構色的關鍵。為了研究CNCs的最佳製備條件，研究人員對如水解時間、溫度和其他因素進行了大量研究。此外，還可利用包括電解質、磁場、電場和真空在內的外部刺激以調整CNCs的自組裝環境。通常，手性向列結構的構建從根本上取決於自組裝過程中CNCs表面的靜電排斥和範德華力。由於CNCs優異的光學性能、獨特的結構特徵和智能響應行為，具有光子液晶結構的結構色納米複合材料極具吸引力。Kelly等以CNCs為模版製備了基於納米晶纖維素的具有長程手性向列結構和光子性質的新型納米複合響應性光子水凝膠，水凝膠表現出對外部刺激（如溶劑、pH或溫度）的虹彩變化。Xu等通過模仿自然界中的膽甾型結構色生物，製備了一系列基於纖維素納米晶體（CNCs）的納米複合材料，並研究了它們的功能化應用。通過將CNCs和甘油（Gly）以不同比例混合，製備了多色、柔性和智能響應的虹彩薄膜。根據微觀結構的分析，虹彩薄膜紅移的結構色是由手性向列結構中螺距增加產生的。將CNCs／Gly複合的懸浮液用作光子墨水可獲得具有獨特指紋織構的光子化圖案，CNCs／Gly納米複合材料還可用於不同基材上製作虹彩塗層。對CNCs／Gly複合薄膜的溼度響應特性進行分析如圖5所示。甲蟲背部的顏色可根據環境中的水分而改變。結合甘油的強吸水能力和CNCs的溼度響應的變色效應，將CNCs／Gly20薄膜置於不同的相對溼度（RH）條件下，以檢測其作為溼度指示劑的潛力。在POM圖像中，可以觀察到光子晶體變化導致的薄膜顏色的變化：當RH從33％變為85％時，CNCs／Gly20膜中以綠色為主的光子晶體變為紅色光子晶體，CNCs／Gly20薄膜的顏色從綠色變為黃色、橙色、紅色和無色，另外反射光譜中相應的峰值波長從525nm增加到820nm。故薄膜的顏色在不同的RH下發生顯著變化，也通過其反射光譜的顯著變化得到證實。複合材料溼度引發的顏色變化過程是可逆的。在CNCs／Gly20薄膜表面加入一滴水後，複合薄膜的顏色立即從綠色變為無色，然後在室溫下乾燥300s後又恢復為綠色。與科羅拉多甲蟲和其他溼度指示複合材料相比，複合薄膜可在更短的時間內響應溼度，這是因為甘油對水分敏感，會快速吸收水分。CNCs／Gly複合薄膜結構色的快速和可逆變化，賦予了其作為農業和工業環境檢測可視化溼度傳感器的巨大應用潛力。3.2　木質纖維素納米晶體手性向列結構色圓偏振光學圓偏振發光（CPL）因為其作為探針的巨大潛力，有助於理解激發態手性並用於實際的光學應用中，包括不對稱合成、光學存儲設備、生物探針和3D顯示器等，這引發了人們的極大興趣。現有報導的各種CPL材料，包括有機小分子、π-共軛聚合物、手性鑭系絡合物、聚集誘導發光（AIE）體和鈣鈦礦納米晶等材料。迄今為止，用於產生CPL的主要策略包括手性共混、超分子組裝和手性液晶封裝等。然而，這些策略會產生有限的不對稱因子（glum值）和不可預測的手性，因此，尋找替代策略對於實現具有期望特性的CPL材料顯得至關重要。通過模仿大自然，由CNCs 自組裝製備的光子薄膜可以選擇性地反射圓偏振光，這與一些甲殼類動物的方式相類似，都是通過其螺旋組織的納米結構實現的。Qu等製備了手性光子纖維素膜，其表現出對機械和化學刺激響應的圓偏振光的選擇性反射。手性光子纖維素膜具有很高的形變能力，斷裂伸長率高達40.8％，是已報導的手性光子纖維素膜中最高的。研究結果顯示了左手圓偏振光對彎曲和單軸拉伸在整個可見光光譜中的選擇性反射，以及從可見光到近紅外區域對水蒸氣（相對溼度10％～100％）的可逆響應。刺激響應是通過基於超分子化學的可變螺旋結構來實現的。CNCs的有趣特性激發了通過將螢光發色團摻入手性纖維素薄膜來產生CPL的研究。該方法提供了方便且環保的方式來獲得CPL材料。特定波長的螢光光子能通過與纖維素薄膜光子薄膜相匹配的光子禁帶（PBG）。螢光發射與PBG之間的重疊程度決定了不對稱因子（glum值）。Li等通過調節環境刺激驅動的分子激發構象，成功地實現了基於培哚⁃咔唑二聯體的刺激響應性CPL。因此，如果將多發射的基團引入具有可調PBG的光子纖維素納米晶基膜中，則可通過僅調節PBG而不改變螢光摻雜劑來實現可調的CPL。Li等通過將多重發射的上轉換納米顆粒（UCNP）整合到具有可調光子禁帶（PBG）的纖維素納米晶體的手性光子薄膜中，首次實現了右旋的、可調的上轉化圓偏振光的（UC-CPL）發射。使用甘油作為刺激來調節手性光子薄膜的PBG，其產生可調的UC-CPL發射，其在450nm／620nm波長處具有特定的glum。此外，由於光子複合物的PBG和手性可以響應相對溼度（RH），因此在甘油複合光子膜中可獲得藍色波長處的溼度響應性UC-CPL，其glum值的變化範圍在－0.156～－0.033。這項工作有助於可調的和刺激響應的CPL光子系統。生物質仿生發光材料擁有許多重要的用途，包括可以將其製備成螢光薄膜傳感器用於特定的客體物質檢測，也有將其製成螢光納米顆粒用於生物成像，以及將其作為光敏化劑應用在光催化等領域。下面重點將介紹生物質發光材料在智能螢光檢測薄膜、生物成像、防偽、發光器件及光動能轉化方面的應用。He等基於前期對槲皮素AIE現象的研究，利用具有AIE效應的槲皮素製備了螢光薄膜，通過物理共混的方式可以使槲皮素均勻地分布到PVA膜中，所製備出的薄膜顯示出強烈的聚集態螢光發射。研究發現鋁離子可以與槲皮素反應，進一步加劇槲皮素分子間的聚集行為，從而可以引發槲皮素更強烈的螢光發射。利用這一特性，他們使用槲皮素／PVA薄膜成功實現了對中國傳統食品中鋁離子的快速檢測和識別。此外，研究還發現該槲皮素／PVA薄膜可以對胺類物質進行螢光增強型響應。根據海鮮食品容易腐敗生成生物胺這一現象，該課題組利用槲皮素／PVA薄膜對海鮮食品進行實時質量監控。除此之外，研究還發現槲皮素具有良好的抑菌性和抗氧化性，因此該槲皮素／PVA薄膜還可以被用作包裝膜來延長食物的儲存時間。Niu等採用酶解木質素通過分子聚集的手段製備天然碳點（L-CDs），新制的L-CDs隨著單光子和雙光子激發發射多色的螢光，L-CDs也具有很好的細胞生物相容性，因此，L-CDs在單光子和雙光子細胞成像中具有潛在的應用。除了碳量子點的螢光成像外，He等還研究利用天然產物槐米中提取的槲皮素AIE螢光進行細胞成像。由於槲皮素為天然提取物，故其具有很好的生物相容性，並且當含量達到800μg/mL時，沒有明顯的細胞毒性。槲皮素的AIE螢光非常穩定，具有極強的抗紫外漂白能力；因此，在研究中成功將槲皮素螢光用於細胞質成像以及活體成像，並對活體成像後的小鼠進行解剖，研究槲皮素在小鼠體內的分布情況，發現槲皮素在小鼠體內主要通過肝膽循環進入各個器官。Gu等基於黃連素的聚集誘導發光現象及其較低的細胞毒性，較好的水溶性、TICT效應以及兩親性的分子結構，將其應用於免洗螢光成像，可對多種細胞脂滴進行特異性、點亮式的螢光成像，其共定位係數高達0.99。此外，黃連素還能特異性地對新鮮肝組織中的脂滴進行特異性地螢光成像。4.3　生物質基螢光材料在加密列印及其發光器件中的應用碳點作為一種螢光性能非常穩定的材料，在加密列印與發光器件中有很重要的用途。隨著當前信息技術不斷發展，信息保密技術愈來愈發重要。Wang等在研究工作中，利用碳點製備成量子尺寸膠體，將膠體直接注入商業化的墨盒中，使用商業印表機，可在紙上直接列印出圖案（圖６）。在明場下列印紙上的圖案無法觀察到，在紫外光照射下列印紙上呈現出清晰的螢光圖案。利用這種技術可以實現相關機密文件的保護與特種紙張的防偽。除此之外，螢光碳點還可用於白光器件的製備。白光照明器件廣泛應用於各類重要場合尤其在家庭照明與特種照明領域，白光的獲取可通過藍光與紫外光的復配得到。該研究組利用所製備出的藍色螢光碳點與紫外LED基底複合，得到具有高性能的冷白光發射器件（圖6）。由於太陽能具有綠色、可持續等優點，在當前石化能源日漸枯竭、環境汙染日益嚴重的情況下，將太陽能轉化為動能無論在科研還是工業界均具有極為重要的意義。將太陽能轉化為動能其中之一的路徑是「光-熱-動能」，這其中涉及的核心問題之一就是將光能高效的轉化為熱能。針對此問題，仿植物中黑色素的光熱轉換功能，LUO等對落葉松樹皮中提取的單寧引入鐵離子，進行多酚大分子網絡重整，構造「多酚-鐵」複合光熱分子網絡，所構築的光熱分子網絡具有堪比石墨烯的光熱效率。將此光熱材料與二衝程的斯特林發動機結合，將之植入到斯特林發動機的密封倉中，使用模擬日光源照射，由光熱材料將陽光轉化為熱能，熱使得空氣膨脹驅動活塞做功，從而推動發動機的運轉工作（圖7）。

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當前科研工作者們在生物質基光學領域中的螢光、光熱及光子晶體等諸多研究方向取得了豐碩成果，但是目前依然還存在一些問題。

１） 生物質基螢光方向：使用木材或樹木生物質製備仿自然螢光發射的聚集誘導發光及碳點等材料雖具有良好的螢光特性，但是其發射波長依然較短，可以吸收利用的光域也局限於紫外⁃可見區域。在未來的研究中，需進一步紅移並拓寬該類螢光材料的吸收與發射波長。

２） 生物質基光熱方向：使用石墨烯等碳基光熱材料的光熱效果雖好，但其價格昂貴，成本過高，不利於實際應用。使用樹木生物質製備仿自然光熱現象的絡合光熱材料雖光熱效率良好，但是其所製備的光熱材料還需使用三價鐵離子，這使得其環境相容性下降，並且鐵離子與多酚類物質絡合的熱穩定性與在苛刻環境中穩定性亟待加強。

３） 生物質基光子晶體方向：在使用木材衍生納米纖維素仿生構築光子晶體虹彩材料方面，存在著所製備薄膜虹彩效應與纖維素表面基團的構效關係不夠清晰，並且纖維素尺寸與其偏振吸收間的關係亟待理清。以上為本領域目前存在的主要問題與挑戰，在未來的研究中，如若可以解決這些科學問題，生物質基光學領域中的科研成果將會向現實生活邁進一大步。在未來的研究中，使用生物質基光學材料構築光電能源器件、光電傳感器件也是具有良好前景的科研方向。

   

陳志俊,高鶴,李偉,等.生物質基光學材料研究進展[J].林業工程學報,2020,5(3):1-12.
CHEN Z J,GAO H,LI Wei,et al.Research progress of biomass-based optical materials[J].Journal of Forestry Engineering,2020,5(3):1-12.