近日，廣(guang)東工(gong)業大學(xue)的(de)閔(min)永剛教授(shou)和李凱欣副(fu)教授(shou)等研(yan)究了(le)利用具(ju)有(you)(you)促溶(rong)作用的(de) 2-氨基(ji)苯(ben)磺酸對(dui)制漿造紙行(xing)業的(de)副(fu)產物——堿木質(zhi)素進行(xing)處理，通過簡單溫和的(de)兩步法工(gong)藝，不借(jie)助高(gao)溫熱(re)裂解首次得到具(ju)有(you)(you)硫(liu)氮雙雜(za)原子摻(chan)雜(za)的(de)木質(zhi)素基(ji)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)量子點（LGQDs），并(bing)在Green Chemistry上(shang)(shang)發(fa)(fa)表了(le)題為(wei)“Direct transformation of lignin into fluorescence-switchable graphene quantum dots and their application in ultrasensitive profiling of physiological oxidant” 的(de)研(yan)究論文。作者發(fa)(fa)現 LGQDs 上(shang)(shang)的(de)雙雜(za)原子摻(chan)雜(za)結構賦(fu)予其出色(se)的(de)激(ji)發(fa)(fa)依賴性熒(ying)光發(fa)(fa)射性能，而且其熒(ying)光強度容(rong)易受常(chang)見(jian)的(de)生理氧化物-過氧化氫影響(xiang)，并(bing)表現出兩段線(xian)性相(xiang)關，理論檢測限低至 0.13 nM，檢測效果遠(yuan)優(you)于常(chang)見(jian)的(de)其它石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)量子點基(ji)生物傳感材(cai)料。

背景介紹

木(mu)質(zhi)素(su)(su)作為自然(ran)(ran)界中儲量第二(er)豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)(de)天然(ran)(ran)高(gao)分子，其(qi)(qi)來源(yuan)廣泛(fan)，價格低(di)廉，是取之(zhi)不(bu)盡用(yong)之(zhi)不(bu)竭的(de)(de)(de)(de)可再(zai)生化(hua)工原料。同時，木(mu)質(zhi)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)含碳量要高(gao)于常見的(de)(de)(de)(de)纖維素(su)(su)、半纖維素(su)(su)等，但其(qi)(qi)目前(qian)主(zhu)要作為制漿(jiang)造紙行業的(de)(de)(de)(de)副產物而鮮少(shao)得到有(you)效利用(yong)。基于木(mu)質(zhi)素(su)(su)制備(bei)石墨(mo)烯量子點(dian)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)早已見諸報端，現有(you)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)多將(jiang)木(mu)質(zhi)素(su)(su)作為碳源(yuan)直接進行熱裂(lie)解(jie)，其(qi)(qi)豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)(de)芳香結(jie)構并未得到重(zhong)視。近年來，有(you)學(xue)者提(ti)出可以通過化(hua)學(xue)氧(yang)化(hua)法或者具有(you)促溶作用(yong)的(de)(de)(de)(de)有(you)機酸(suan)對木(mu)質(zhi)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構進行破壞，從(cong)而為綠色制備(bei)木(mu)質(zhi)素(su)(su)基石墨(mo)烯量子點(dian)提(ti)供了(le)有(you)益參考。

本文亮點

本文首次(ci)提出并證實了(le)(le)(le)利用(yong)具有促溶作(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)有機酸通過(guo)綠色化學(xue)手段(duan)制備(bei)木(mu)質(zhi)素(su)(su)基石墨(mo)烯(xi)量(liang)子(zi)(zi)點(dian)的(de)(de)(de)可能性，結合現有理(li)論初步分析了(le)(le)(le)木(mu)質(zhi)素(su)(su)基石墨(mo)烯(xi)量(liang)子(zi)(zi)點(dian)形成的(de)(de)(de)化學(xue)歷程，討(tao)論了(le)(le)(le)木(mu)質(zhi)素(su)(su)石墨(mo)烯(xi)量(liang)子(zi)(zi)點(dian)出色的(de)(de)(de)激發(fa)依賴(lai)性熒光發(fa)射性能與(yu)其雙雜原子(zi)(zi)摻雜結構(gou)的(de)(de)(de)聯系。此(ci)外，本文還對木(mu)質(zhi)素(su)(su)石墨(mo)烯(xi)量(liang)子(zi)(zi)點(dian)應用(yong)為生理(li)學(xue)氧化物-過(guo)氧化氫的(de)(de)(de)熒光指示劑進行了(le)(le)(le)探(tan)索，并利用(yong)密(mi)度泛(fan)函(han)理(li)論計算(suan)推(tui)導(dao)了(le)(le)(le)其關鍵結構(gou)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)機理(li)。

圖文解析

圖1 兩步法工藝制備木質素基石墨烯量子點的流程圖

圖2 (a) 木質素基石墨烯量子點的紫外可見吸收/透射光譜，分別基于(b) 2-氨基苯磺酸，(c) 對甲基苯磺酸，(d) 苯磺酸，(e) 檸檬酸制備的木質素基石墨烯量子點的熒光發射光譜，(f)以上四種木質素基石墨烯量子點的紫外可見吸收光譜對比圖

圖3 (a) 不同濃度的過氧化氫對木質素基石墨烯量子點的熒光發射光譜的影響（PBS 緩沖溶液體系），(b) 過氧化氫的濃度與木質素基石墨烯量子點的熒光強度表現出良好的兩段線性相關，(c) 不同濃度的過氧化氫對木質素基石墨烯量子點的熒光發射光譜的影響（去離子水體系），分別基于(d) L939 細胞和(e )3T3 細胞對木質素基石墨烯量子點的細胞毒性進行評估，發現其生物相容性良好

圖4 為探索過氧化氫對木質素基石墨烯量子點熒光強度的影響機理，利用密度泛函理論計算分別模擬以下化學環境的最高已占軌道和最低未占軌道，包括(a) 以 SO2結構為主要硫摻雜形式的木質素基石墨烯量子點、(b) 以 SO 結構為主要硫摻雜形式的木質素基石墨烯量子點、(c) 在(b)中混入過氧化氫、(d) 在(b)中混入磷酸二氫鈉和(e) 在(b)中混入磷酸二氫鈉及過氧化氫

總結與展望

本文的(de)提(ti)出(chu)為基于(yu)(yu)生(sheng)物質(zhi)(zhi)這一(yi)廉價的(de)可(ke)再生(sheng)資源通過(guo)相對(dui)環保的(de)工(gong)藝制備(bei)高性能(neng)石墨烯量子點提(ti)供了(le)切實可(ke)行的(de)方案參(can)考。但是，由于(yu)(yu)木質(zhi)(zhi)素結構的(de)復雜多樣(yang)性，還需要對(dui)其轉化得到納米(mi)級功能(neng)材(cai)料所(suo)涉及(ji)的(de)化學歷程(cheng)進行更(geng)為深入的(de)研究(jiu)，最(zui)終建(jian)立起綠色化學法(fa)加(jia)工(gong)利(li)用木質(zhi)(zhi)素的(de)成熟(shu)機制。

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