化學所在纖維素基固態螢光材料及應用方面取得系列進展

2020-11-30 中國科學院

　　纖維素是自然界儲量最大的天然高分子，具有來源廣、儲量巨大、可再生、可完全生物降解以及生物相容性好等優點，被認為是滿足人類社會未來可持續發展的「取之不盡、用之不竭」的能源和化工原材料。纖維素高分子鏈上周期性分布著豐富的羥基基團，具備優異的化學可修飾性，通過纖維素的均相反應，可將不同功能基團引入到纖維素鏈上，從而賦予纖維素新的性能，是實現纖維素高值化利用的有效途徑（Mater. Chem. Front., 2017, 1, 1273）。

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所工程塑料重點實驗室研究員張軍課題組近年來在纖維素的均相化學反應以及纖維素功能化新材料的設計合成方面開展了深入研究。利用纖維素上易於修飾的羥基基團，以化學鍵合方式將具有聚集誘導淬滅效應（ACQ）的常見螢光分子連接到纖維素主鏈。通過高分子鏈的「錨定」和「稀釋」效應以及基團間的靜電排斥力效應相互協同，有效克服了螢光分子的ACQ效應，得到了含ACQ螢光分子的纖維素基固體螢光材料（Adv. Optical Mater., 2016, 4, 2044）。基於上述策略，分別合成了紅藍綠三種纖維素基固態螢光材料，結合螢光共振能量轉移(FRET)效應和三基色原理，通過簡單混合併控制比例即獲得了易於列印的新型動態全彩固態螢光材料 (Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1703548)。將具有響應性質的螢光基團連結到纖維素高分子鏈還可顯著增強其分子識別能力，從而得到對金屬離子、酸鹼性超敏感的新型螢光探針和可攜式試紙（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 2114；Analytical Chemistry, 2019, 91, 3085）。

　　近年來，張軍團隊和有機固體重點實驗室王樹研究團隊合作，開展了纖維素基光功能材料在生物醫學領域中的應用研究，並取得系列進展。如利用纖維素上多個可反應的羥基，在纖維素分子鏈上同時化學鍵合卟啉與季銨鹽基團，得到了白光碟機動、高效殺滅耐藥性細菌且無毒的纖維素基抗菌塗層材料（Adv. Health Mater.，2019, 8, e1801591）。

　　最近，他們設計併合成了新型比率型胺響應的纖維素基螢光材料，並基於此提出了可視化監測海鮮食品新鮮度變化的方法。其中，將作為指示劑的異硫氰酸酯螢光素（FITC）及作為內標物的原卟啉分子（PpIX）分別通過共價鍵分別鍵連到醋酸纖維素（CA）分子鏈上。將所得到的CA-FITC與CA-PpIX簡單按比例混合，得到了初始螢光可調的固態螢光材料。其螢光發射強度比值IFITC/IPpIX與胺濃度（5-25000 ppm）的對數呈線性關係，同時材料螢光由紅色向綠色漸變，實現了快速、準確、實時地對環境中胺濃度進行可視化監測的目的。這種新型纖維素基螢光材料製備簡單，具有良好的穩定性、可逆響應性、生物降解性和加工性能，可製備成多種材料形式，例如：油墨、塗層、透明柔性薄膜和納米纖維薄膜等。將這種比率型胺響應纖維素基螢光材料的納米纖維薄膜做成指示標籤，成功實現了海鮮食品（如海蝦）新鮮度原位可視化監測。該研究成果近日發表於《自然-通訊》（Nature Communications，2019, 10, 795）。

 

比率型胺響應的纖維素基螢光材料的設計合成及其智能標籤對海蝦新鮮度的原位監測

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