香港理工大学吕绍元和杨智淳研究团队:木质素-卟啉纳米环保聚合物...

来自 : www.chembeango.com/zixun/34... 发布时间：2021-03-25

木质素是制浆工业中常见的副产品，而木质素聚合物中包含多种官能团和三维复合结构，使木质素成为碳基材料的廉价、优质和环保的替代品。不幸的是，每年都有大量木质素被当作废料弃置。众所周知，卟啉家族在多个领域中具有广泛的应用，尤其在光致发光生物成像显影剂的医学应用上，具有巨大的潜力。然而，在反溶剂环境中，卟啉之间强烈的π-π电子相互作用使其倾向于形成聚集体，从而导致其发生荧光猝灭现象，这便是聚集导致荧光猝灭（ACQ）。近日，香港理工大学吕绍元和杨智淳研究团队发展了以废弃木质素为基质的木质素-卟啉纳米环保聚合物，它结合了这两种化学物质的优异功能，在高水分的环境中，增强了光致发光的效果并具有重金属检测的功能。相关研究成果以“Development of a waste-derived lignin-porphyrin bio-polymer with enhanced photoluminescence at high water fraction with wide pH range and heavy metal sensitivity investigations”为题发表于Green Chem.（DOI: 10.1039/C8GC02904K）。
吕绍元助理教授简介

吕绍元，香港理工大学助理教授。2009年于美国加州大学洛杉矶分校土木与环境工程系取得博士学位。2013年在美国威斯康星州麦迪逊美国农业部森林产品实验室结束博士后研究，回国后加入香港理工大学。2018年在香港理工大学成立首间生物能源研究实验室。目前主要从事木材化学、水体化学和生物质转化体燃料的项目研究。

杨智淳研究员简介

杨智淳，香港理工大学研究员。2015年在香港大学取得博士学位。博士期间研究方向主要集中在各种有机化合物的光物理和光化学方面的性质研究，在主要的SCI期刊上发表了数篇文章（包括GreenChem.和Chem. Eur. J）。2018年加入香港理工大学，目前主要从事先进材料学、水体化学、各种有机化合物的光物理和光化学方面的研究。

前沿科研成果：木质素-卟啉纳米环保聚合物在增强光致发光和重金属检测方面的应用

首先，作者对制浆工业中剩下的木质素进行筛选，包括弃置量考察、功能基含量、分子量以及制备纳米粒子稳定性的分析（图1）。最后，作者确定了采用弃置量较多、分子量及功能基数量可观的碱性木质素为基质进行改性和深入研究。

图1. 制备纳米粒子稳定性的分析

（来源：Green Chem.）

随后，作者以木质素上的羟基作为酯键结合点对合成方法进行了考察，发现在较为温和的光延反应条件下，采用一锅合成法进行木质素与卟啉的结合，得到了木质素-卟啉纳米环保聚合物（图2）。值得注意的是，一般卟啉都有多个反应取代位置，作者在此聚合物的卟啉中刻意保留三个苯基上的反应取代位置以方便进一步的改性。

图2. 木质素-卟啉纳米环保聚合物的合成

（来源：Green Chem.）

在合成纳米环保聚合物之后，作者做了一系列的光致发光控制实验以探讨该聚合物在高水分和不同酸碱度的环境中增强光致发光的可能性（图3）。在不同水含量和酸碱度条件下，与卟啉单体或木质素本身相比，木质素-卟啉纳米环保聚合物均能有显著的光致发光增强效果，当pH=7并且含水量达95%时，在600到780 nm之间的发光强度增加了30倍。作者推断光致发光增强的主要原因可能是由于木质素本身的天然三维复合结构与大分子基团分枝产生巨大的空间位阻，分隔了以稳定酯键连接在木质素上的卟啉模块。在高水分和酸性的环境中，由于卟啉不能再以有效的π-π电子相互作用进行聚集荧光猝灭，即使分子之间有聚集情况，也大幅减缓了聚集荧光猝灭。在发光动力学的研究中，作者通过发光衰减时间的测量和差异比对，证明了在高水分和酸性的环境中，木质素-卟啉纳米环保聚合物有着不同的聚合型态和较长的发光衰减时间。

图3. 光致发光控制实验

（来源：Green Chem.）

最后，作者通过紫外-可见吸收光谱法研究木质素-卟啉纳米环保聚合物对水中不同类型的重金属离子的检测效果（包括：Ni2+、Co2+、Mn2+、Zn2+和Cu2+）。检测浓度范围区间在10到500 ppm（图4），结果表明木质素-卟啉纳米聚合物可被用于重金属离子的检测，且具有高选择性和灵敏度。这充分展示了木质素-卟啉纳米环保聚合物的功能多样性及其在水体环境中的广泛应用。

图4. 木质素-卟啉纳米环保聚合物对水中不同类型的重金属离子的检测效果

（来源：Green Chem.）

相关成果近期在线发表于Green Chem.（DOI: 10.1039/C8GC02904K）。博士生谢灏贤、研究助理郑信祥博士为文章的共同第一作者，吕绍元助理教授为通讯作者，杨智淳研究员为共同第一作者兼共同通讯作者。