基于机械力化学作用制备荧光纳米纤维素

张松华，熊明诚，王梓，林凤采，王婷，林咏梅，黄彪

（1福建农林大学材料工程学院，福建福州350108；2广西民族大学广西林产化学与工程重点实验室，广西南宁530006）

纳米纤维素（纤维素纳米晶体、CNCs 或纤维素纳米纤维，CNF）的优异性能使其在食品包装[1]、医药[2]、纺织[3]及复合材料[4]制备等方面展现出很好的应用前景。但纤维素具有很高的极性，其改性受限于有限的溶剂选择，所以纳米纤维素的改性[5]一般在特定的溶剂下进行，如三氟乙酸（CF3COOH）、氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAC）、离子液体等[6]，这些溶剂的价格昂贵且处理成本高，并对环境有一定的负面影响。因此，寻找一条绿色、安全、经济的纳米纤维素改性途径一直以来都是纳米纤维素利用领域的关键问题[7]。

柠檬酸和L-半胱氨酸都是参与生物体新陈代谢的小分子物质[8]，它们在高温下通过多次脱水反应产生具有荧光的共轭化合物5-氧代-3,5-二氢-2H-噻唑并[3,2-a]吡啶-3,7-二羧酸（TPDCA）[9]，其表现出高量子产率、良好的生物相容性和相对低的成本。磷钨酸是催化纤维素水解反应的绿色环保的固体杂多酸催化剂[10]，Liu 等[11]以磷钨酸为水解纤维原料，但水解过程中磷钨酸的用量较大，反应时间较长，反应效率较低。本文作者课题组[12]采用机械力化学法磷钨酸催化水解，高得率地制备了纳米纤维素。本研究以磷钨酸作为催化剂[10,13]，使竹浆纤维素在机械力化学作用下形成CNC，然后在一定溶解度的柠檬酸和半胱氨酸作用下同步发生酯化反应，一步得到荧光纳米纤维素F-CNC，反应过程主要是通过磷钨酸-柠檬酸共同作用使纤维素分子中在无定形区降解，进一步催化柠檬酸与半胱氨酸反应的产物TPDCA 与纳米纤维素表面C6位上的伯羟基发生酯化反应生成了F-CNC（图1）。反应过程中水是唯一溶剂，可降低对环境负面影响。该制备方法具有简易可行、绿色环保、酸可回收的优点，为纳米纤维素功能化的制备提供了一条新途径。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

竹浆纤维（α-纤维素含量≥94%），购于福建省南平造纸厂；L-半胱氨酸，分析纯，购于阿拉丁试剂（上海）有限公司，磷钨酸、柠檬酸，均购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 F-CNC的制备

将竹浆纤维经过高速粉碎机粉碎，烘干备用，称取2g 竹浆纤维置于玛瑙球磨罐中，加入2.4g 磷钨酸和16g 的柠檬酸和40mL 蒸馏水，在600r/min的转速下球磨2h。球磨结束后将样品转移到烧瓶中加入半胱氨酸恒温反应一定时间，半胱氨酸的浓度为0.5～1.5mol/L，反应温度取80～160℃，反应时间取4～12h。分别考察半胱氨酸浓度、反应温度、反应时间对所制备的荧光纳米纤维素F-CNC的得率和荧光强度的影响，确定较佳的反应条件，反应结束后，超声分散120min，通过高速离心（9000r/min，10min）去除柠檬酸、半胱氨酸和水的混合物。多次高速离心后，降低离心速率（5000 r/min，5min），收集上层乳白色悬浮液即荧光纳米纤维素F-CNC 悬浮液。将该悬浮液经透析至水无荧光（在紫外-可见吸收光谱光下无荧光性质特征峰），冷冻干燥后得到F-CNC粉末。CNC的制备是在球磨结束后90℃反应一段时间，加入去离子水，超声分散60min，离心收集得到CNC。

1.3 F-CNC得率的计算

F-CNC 均匀分散，测出其总体积，用移液管吸取30mL 于称量瓶中，在105℃烘箱中烘干至恒重。F-CNC的得率Y按照式(1)计算。

图1 F-CNC制备示意图

式中，m1为干燥后样品与称量瓶的总质量，g；m2为称量瓶的质量，g；m3为竹浆纤维素原料的质量，g；V为F-CNC悬浮液的总体积，mL。

1.4 样品表征

用场发射透射电镜（TEM）对制备的荧光纳米纤维素的形态和尺寸进行分析，样品溶液先在超声仪中超声30min，然后滴加样品于碳网上，并用滤纸吸干存在于载网上的F-CNC液滴，用2%的磷钨酸水溶液对其进行染色，干燥后观察。采用VERTEX 70 型傅里叶变换红外光谱仪对样品的官能团进行表征分析：称取冷冻干燥后的样品4mg和400mg KBr进行混合，研磨充分后，采用压片法进行测试，扫描的范围为4000～400cm-1，室温下进行测试。采用13C CP/MAS NMR 对F-CNC 的表面化学结构进行表征。采用X-ray光电子能谱对CNC粉末、F-CNC 粉末进行表面分析。采用X 射线粉末衍射仪（XRD）对样品的结构进行表征：先将样品制成粉末状放置于干净的样品架上，设置分析参数条件，特征射线用CoKα，Ni 片滤波，电压为85kV，2θ的范围为6°～90°，在无干扰环境下进行测定。通过紫外-可见（UV-vis）吸收光谱和荧光光谱研究了F-CNC 的光学性质。采用英国爱丁堡FLs980 全功能型稳态/瞬态荧光光谱仪和日本岛津公司UVmini-1240型紫外分光光度计来研究样品的荧光性能。采用德国NETZSCH STA449F3型热分析仪，在N2气氛、升温速率为10℃/min 的条件下对CNC、F-CNC 在30～600℃范围内的热稳定性进行测试分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 反应温度对F-CNC 的得率和荧光强度的影响

取1g 竹浆纤维素，在磷钨酸-柠檬酸体系下，球磨时间为2h，1mol/L 半胱氨酸、反应时间8h 的条件下，考察反应温度对F-CNC 的得率和荧光强度的影响（图2）。由图2 可知，在80～140℃时，随着反应温度升高，CNF的荧光强度增大，随着温度的升高，有利于酯化反应的正向进行，CNC 与TPDCA 接枝率增加，140℃时，F-CNC 的荧光强度达到最大；超过140℃后，随着反应温度升高，FCNC 的荧光强度降低。这是因为温度过高，增加了其他副反应生成的可能性，从而影响了CNC 的接枝率[15]。随着温度的升高，F-CNC 的得率增加，120℃达到最大值（58.6%），超过120℃F-CNC 的得率下降，这可能是由于温度过高，纤维素水解程度过高，过度降解生成葡萄糖，导致得率下降，生成的F-CNC减少。

2.1.2 半胱氨酸浓度对F-CNC 的得率和荧光强度的影响

图2 反应温度对F-CNC的得率和荧光强度的影响

图3 半胱氨酸浓度对F-CNC的得率和荧光强度的影响

取1g竹浆纤维素，反应温度为140℃、反应时间为8h 的条件下，考察半胱氨酸浓度对F-CNC 的得率和荧光强度的影响见图3。由图3 可知，在0.25～1.25mol 柠檬酸和柠檬酸钠时，对F-CNC 的得率变化影响不大，表明纤维素的水解跟半胱氨酸的溶解度无关。随着柠檬酸和柠檬酸钠浓度升高，F-CNC 的荧光强度增大，表明当柠檬酸浓度一定时，随着半胱氨酸浓度增加，两者形成TPDCA 增加，其与CNC 接枝率也增加。且当半胱氨酸浓度大于1.0mol/L时，其荧光强度增加不明显。表明此时半胱氨酸与柠檬酸反应达到一个动态平衡，且半胱氨酸溶度大于1.0mol/l，产物颜色变深。

2.1.3 反应时间对F-CNC 的得率和荧光强度的影响

取1g竹浆纤维素，1.0mol/L半胱氨酸、反应温度140℃的条件下，考察反应时间对F-CNC的得率和荧光强度的影响（图4）。由图4可知，随着反应时间延长，F-CNC 的得率增加，6h 时得率取得最大值（57.4%），超过6h 后纤维素的得率下降，这可能是由于在较高温度下反应时间较长，纤维素过度水解产生葡萄糖，导致得率下降，且超过8h 后所制备的F-CNC的颜色加深。在4～8h时，随着反应时间的增加，F-CNC 的荧光强度增大，8h 时，F-CNC 的荧光强度达到最大；超过8h 后，随着反应时间的增加，F-CNC 的荧光强度降低。这是由于反应未达到平衡时，延长反应时间提高了TPDCA的产生以及与CNC 的接枝率，但随着反应时间的延长，水解和氧化等副反应产生，CNC 的接枝率随之降低。

图4 反应时间对于F-CNC的得率和荧光强度的影响

2.2 光学性能分析

当光照射到某些原子时，使原子核周围的一些电子从原来的轨道跃迁到能量更高的轨道，即从基态到激发态，激发态不稳定，恢复到基态时能量以光的形式释放产生了荧光。图5 为CNC、TPDCA、F-CNC 水溶液的紫外-可见光吸收光谱，由图5 可知，CNC 没有出现特征吸收峰，TPDCA、F-CNC溶液在220nm 有很强的吸收峰是由于π→π*跃迁。在355nm 左右有很宽的吸收峰，是源于共轭的TPDCA 的n→π*跃迁造成的[9,14]，表明TPDCA 成功接枝到CNC 表面。图6 是F-CNC 溶液在室温下用不同的激发波长（300～400nm，间隔20nm）下的荧光光谱。由图6可知，300～360nm范围内随着激发波长的增加，荧光强度逐渐增加，380nm后荧光强度开始逐渐减弱。F-CNC 在360nm 激发下显示出最大发射，并且最大发射波长保持在435nm 附近。表明所制备的F-CNC 表现出与激发无关的发射行为，即最大发射峰不随激发波长变化，与TPDCA显示的现象相同[9]。

图5 CNC、TPDCA、F-CNC的紫外-可见光吸收光谱

图6 不同激发波长下F-CNC的发射和光谱

2.3 荧光寿命和量子产率

图7 为F-CNC 的荧光寿命曲线，如图所示，F-CNC 的荧光寿命曲线具有双指数衰减动力学特征，符合二次拟合公式，如式(2)[15]。

式中，R为荧光强度；B1、B2为常数，分别为395.77、118.43；t 为时间；τ1、τ2为各指数成分寿命，分别为0.915、4.984。

通过式(3)可以算出F-CNC 的平均寿命τ*为3.44ns。通过积分球测定的绝对量子产率为34.24%。

图7 F-CNC的荧光寿命曲线

2.4 微观形貌分析

如CNC、F-CNC的TEM图（图8）所示，经过机械力化学法以及磷钨酸-柠檬酸水解反应后，CNC、F-CNC 主要呈现出棒状，CNC 直径25～50nm，长度200～400nm。F-CNC 直径20～40nm，长度150～300nm。表明机械力化学法有效地使竹浆纤维的结构发生变化[17-18]，导致纤维素分子链断裂而形成CNC，且在后续反应中，纤维素进一步水解和酯化，制备出了直径更小的F-CNC。

图8 CNC和F-CNC的透射电镜图

2.5 红外光谱分析（FTIR）

图9 竹浆纤维、CNC和F-CNC的红外光谱图

2.6 固体13C CP-MAS NMR分析

图10为CNC和F-CNC的CP-MAS13C核磁共振谱图。由图10可知，CNC 在δ104.3、87.8、74.2及64.8处出现了特征吸收峰，分别对应纤维素的C1，C4，C2、3、5 以及C6 的共振吸收峰[27]。与CNC的13C NMR谱图相比，F-CNC的谱图中出现了CNC的特征吸收峰，表明F-CNC 保留了纤维素的基本骨架。且在δ35～50、97、114.1、140～165出现新的共振吸收峰，属于柠檬酸碳原子以及形成TPDCA上吡啶酮的碳原子共振吸收峰[24,27]，说明TPDCA基团成功接枝到CNC表面。

2.7 XPS分析

图10 CNC、F-CNC的CP-MAS核磁共振谱图

图11 CNC、F-CNC的XPS分析

2.8 晶体结构

采用X射线粉末衍射仪对纳米纤维素的晶体结构进行分析。结晶度的计算采用Segal 等提出的经验结晶指数（CI）计算，这是一种通过X射线衍射谱图快速判断结晶度大小的方法[20]，如式(3)。

式中，I002为（002）晶面的衍射强度；Iam为无定形区的衍射强度。

图12 为竹浆纤维、CNC 和F-CNC 的XRD 谱图。可以明显看到CNC 和F-CNC 均在2θ 为15°、16.5°、22.7°、34.8°出现较强的衍射峰，对应（110）、（110）、（200）、（004）晶面，为纤维素Ⅰ型[24]。按照式(3)可得竹浆纤维素的结晶度为71.6%，而CNC的结晶度为75.3%，F-CNC 的结晶度为75.1%，说明在酯化反应过程中，CNC 非结晶区水解与酯化同步进行。同时也表明了反应过程中F-CNC 的晶体结构未被破坏，结晶区得以保留[24]，形成分子排列规则的晶体，有利于拓宽功能化纳米纤维的应用。

图12 竹浆纤维、CNC和F-CNC的XRD光谱图

2.9 热分析

图13 为竹浆纤维、CNC、F-CNC 的热重分析谱图。由图13可知，竹浆纤维原料、CNC、F-CNC在30～120℃的质量损失来源于纤维表面吸收的水分的挥发，在300～380℃阶段，TG 曲线迅速下降是因为纤维素大分子链断裂，逐步开始热分解。竹浆纤维原料的起始热分解温度为334℃，在334～371℃之间质量损失最大，热分解速率最大温度为356℃。CNC 的起始热分解温度为337℃，在337～380℃之间质量损失最大，热分解速率最大温度为362℃。F-CNC 的起始热分解温度为283℃，在283～369℃之间质量损失最大，热分解速率最大温度为354℃。结果表明，制备的CNC热稳定性略微有所增加，可能是在机械力化学作用下去除了无定形区和排列无序的晶体，使纤维素分子内晶体排列规整[26]，以及在磷钨酸-柠檬酸水解下一小部分纤维表面羧基化造成的。F-CNC 的热稳定性下降和酯化过程中表面TPDCA的引入有关。

图13 竹浆纤维、CNC和F-CNC的TG谱图和DTG谱图

3 结论

基于机械力化学作用，以磷钨酸-柠檬酸为催化剂，半胱氨酸为改性剂，采用一锅法制备了荧光纳米纤维素（F-CNC），使纤维素无定形区降解与羟基酯化反应同步进行，避免了中间产物的分离，减少了常规方法的繁琐步骤。反应过程中水是唯一溶剂，降低了后续处理的成本，绿色环保。F-CNC具有荧光性质以及纤维素本身的生物相容性，在防伪、UV 屏蔽、生物医药示踪标记等领域具有很好的应用前景。