申琪，薛雨源，楊濤偉，張妍，李勝任

（太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024）

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成，因其量大、可再生、廉價(jià)易得等特點(diǎn)，為全球能源消費(fèi)從化石資源向可再生碳資源轉(zhuǎn)移提供了巨大潛力。然而，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，木質(zhì)素的高效利用一直以來(lái)都是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用過(guò)程中的瓶頸?；谀举|(zhì)素的獨(dú)特物化性質(zhì)，開(kāi)拓其在相應(yīng)領(lǐng)域的功能化應(yīng)用，成為推動(dòng)木質(zhì)素資源化的一個(gè)重要研究方向。

近年來(lái)，基于木質(zhì)素芳香結(jié)構(gòu)、表面活性等獨(dú)特物化性質(zhì)的熱點(diǎn)研究不斷涌現(xiàn)，涵蓋大宗化學(xué)品和燃料、精細(xì)化學(xué)品和功能材料等領(lǐng)域。特別地，與纖維素和半纖維素相比，木質(zhì)素是一種天然高分子熒光材料。近年來(lái)，熒光技術(shù)因其靈敏度高和非破壞性檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，成為細(xì)胞成像與環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的重要方法。木質(zhì)素作為一種天然熒光團(tuán)，因其生物相容性好和可再生等優(yōu)點(diǎn)，在熒光檢測(cè)、示蹤及傳感器領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。目前，木質(zhì)素?zé)晒庵饕獞?yīng)用于植物細(xì)胞壁成像，利用木質(zhì)素在植物中的特異性和無(wú)標(biāo)記成像方面的優(yōu)勢(shì)，在顯微鏡下觀察木材或紙纖維中的木質(zhì)素；部分科研工作者也探索了木質(zhì)素作為熒光探針在檢測(cè)金屬離子、小分子化合物和細(xì)胞內(nèi)pH 響應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。木質(zhì)素的熒光特性為木質(zhì)素的高附加值利用提供了新穎和廣闊的前景。然而到目前為止，木質(zhì)素的熒光機(jī)理和調(diào)控機(jī)制并不清晰，且相關(guān)研究結(jié)果時(shí)間跨度較長(zhǎng)，總結(jié)凝練不足，制約著這種天然熒光材料的應(yīng)用前景。

為了更好地推動(dòng)木質(zhì)素?zé)晒庋芯?，本文系統(tǒng)地綜述了木質(zhì)素?zé)晒獾难芯楷F(xiàn)狀，并分別對(duì)其研究思路和存在的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和凝練。按照研究思路的區(qū)別，木質(zhì)素?zé)晒庋芯靠梢苑譃閮纱箢悾旱谝活愂菍⒛举|(zhì)素看作單一熒光團(tuán)或多熒光團(tuán)間的線性加和系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)模型物與真實(shí)木質(zhì)素的熒光性質(zhì)，篩選出潛在的熒光團(tuán)；第二類則以木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的聚集耦合態(tài)為對(duì)象，通過(guò)研究木質(zhì)素?zé)晒獾幕拘再|(zhì)和變化規(guī)律揭示其耦合作用機(jī)制，闡明熒光機(jī)理，見(jiàn)圖1。最后，本文對(duì)木質(zhì)素?zé)晒忸I(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望。

圖1 木質(zhì)素?zé)晒庋芯康陌l(fā)展進(jìn)程

1 木質(zhì)素?zé)晒夂?jiǎn)介

植物組織中含有大量的天然熒光分子，其最大發(fā)光波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段，其中木質(zhì)素是植物中最重要的天然熒光分子之一，在紫外線下會(huì)發(fā)射出藍(lán)綠色熒光，見(jiàn)圖2。因其光致發(fā)光的天然屬性，木質(zhì)素?zé)晒庠缭?0世紀(jì)50 年代就被用在造紙工業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量檢測(cè)，之后在熒光共聚焦顯微鏡的輔助下，原本木質(zhì)素的自熒光標(biāo)記更多被用于木材結(jié)構(gòu)分析、植物木質(zhì)化過(guò)程監(jiān)控和木材/紙漿的光化學(xué)反應(yīng)等植物學(xué)研究領(lǐng)域。熒光性質(zhì)方面，木質(zhì)素屬于多熒光團(tuán)發(fā)光體系，但由于復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和構(gòu)型構(gòu)象，其熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)并不清楚，目前推測(cè)出的可能熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)包括松柏醇衍生物、聯(lián)苯、阿魏酸、二苯乙烯和苯基苯并呋喃等。同時(shí)，木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)之間還存在復(fù)雜的電荷和能量轉(zhuǎn)移行為，這進(jìn)一步增加了木質(zhì)素?zé)晒獾慕馕鲭y度。

圖2 植物中常見(jiàn)熒光化合物及其發(fā)射波長(zhǎng)[9]

2 木質(zhì)素?zé)晒鈾C(jī)理

木質(zhì)素大分子是由香豆醇、松柏醇和芥子醇三種主要前體以及少量阿魏酸、松柏醛和芥子醛等其他前體通過(guò)酶的脫氫聚合和自由基耦合而成的，其連接鍵包括以-O-4 為主的醚鍵和少量以-5、-1和5-5為主的碳碳鍵。木質(zhì)素分子共軛程度較低，但其熒光波長(zhǎng)可以覆蓋近紫外和整個(gè)可見(jiàn)光波段，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與整體熒光發(fā)射波長(zhǎng)不匹配，無(wú)法合理解釋木質(zhì)素的長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光來(lái)源。為此，通過(guò)對(duì)比模型物與真實(shí)木質(zhì)素的熒光性質(zhì)或分析木質(zhì)素在定向處理前后的熒光變化規(guī)律，探尋木質(zhì)素中可能存在的大共軛結(jié)構(gòu)，是木質(zhì)素?zé)晒庋芯康闹饕獌?nèi)容。本節(jié)將從木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)的篩選和木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)的研究出發(fā)，討論木質(zhì)素?zé)晒庋芯楷F(xiàn)狀。

2.1 木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)的篩選

根據(jù)木質(zhì)素組成單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，Konschin等先以單苯環(huán)模型物苯乙烯為主體，研究了甲基、甲醇基、甲氧基和酚羥基等助色團(tuán)取代基對(duì)苯乙烯發(fā)光波長(zhǎng)的影響。結(jié)果顯示，苯乙烯的熒光發(fā)射波長(zhǎng)在294nm左右，在位引入助色團(tuán)對(duì)其熒光幾乎沒(méi)有影響；取代基在3位時(shí)，最大發(fā)光波長(zhǎng)有微小的紅移；取代基在對(duì)位時(shí)，發(fā)光波長(zhǎng)移動(dòng)最為明顯，紅移可達(dá)10nm 以上，其中酚羥基的助色作用最強(qiáng)，光譜紅移達(dá)到17～18nm，但仍然無(wú)法與真實(shí)木質(zhì)素?zé)晒庀嗵岵⒄?。在此基礎(chǔ)上，Lundquist等較為全面地分析了不同共軛程度木質(zhì)素模型物的熒光光譜，包括低共軛的單苯環(huán)和二聚體模型物，中等共軛程度的聯(lián)苯、二苯醚、松柏醇衍生物、羰基/羧酸基取代的苯丙烷/丙烯模型物，以及共軛程度更高的二苯乙烯類模型物，見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，在熒光強(qiáng)度方面，二苯乙烯結(jié)構(gòu)和羰基/羧酸基取代的芳基丙烷對(duì)木質(zhì)素影響最大，其中二苯乙烯類模型物表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于其他所有模型物的熒光量子產(chǎn)率，具有苯并呋喃結(jié)構(gòu)的二苯乙烯類模型物更是達(dá)到0.61；羰基/羧酸基取代的芳基丙烷模型物則表現(xiàn)出極低的熒光量子產(chǎn)率，分析認(rèn)為這與羰基/羧酸取代基的熒光淬滅效應(yīng)有關(guān)。在發(fā)射波長(zhǎng)方面，松柏醇衍生物和二苯乙烯類模型物的最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)與磨木木質(zhì)素最為接近。雖然Lundquist 等篩選了大量不同結(jié)構(gòu)的模型物，但僅測(cè)試了它們?cè)诙趿h(huán)或二氧六環(huán)/水混合液[50%∶50%（體積分?jǐn)?shù)）]中的熒光光譜，并未對(duì)它們的熒光性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

圖3 不同共軛程度的木質(zhì)素模型物[23]

之后，研究人員對(duì)幾種重要模型物的熒光性質(zhì)進(jìn)行了深入分析，見(jiàn)圖4。Lang 等繼續(xù)對(duì)苯丙烯酸和二苯乙烯這兩類對(duì)木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度影響最大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，與Lundquist 等的不同之處是將溶劑從二氧六環(huán)/水混合液換成了甲醇。結(jié)果顯示，苯丙烯酸類模型物的熒光光譜變化不大，強(qiáng)度較小，最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)仍在430nm左右。值得注意的是，雖然二苯乙烯類模型物的最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)仍然在390nm左右，但其在甲醇中的熒光強(qiáng)度急劇下降，甚至比苯丙烯酸類模型物的還要弱。文獻(xiàn)作者并未對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行討論，本文作者認(rèn)為該現(xiàn)象主要與二苯乙烯類模型物的聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)有關(guān)。二苯乙烯類模型物屬于典型的聚集誘導(dǎo)發(fā)光型熒光團(tuán)，在二氧六環(huán)中摻入50%（體積分?jǐn)?shù)）的水會(huì)使其發(fā)生聚集，從而顯示出較高的熒光發(fā)射，不過(guò)作者當(dāng)時(shí)并沒(méi)有意識(shí)到聚集態(tài)對(duì)二苯乙烯類分子熒光的影響。Beyer 等則對(duì)-羰基取代的-O-4 型二聚體模型物的熒光性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果顯示，-O-4 連接鍵會(huì)阻斷兩個(gè)苯環(huán)之間的π-π 共軛，模型物熒光表現(xiàn)為兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的熒光加和，其中苯乙酮結(jié)構(gòu)由于羰基的淬滅效應(yīng)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度很弱，模型物分子的熒光光譜主要為愈創(chuàng)木酚結(jié)構(gòu)的熒光發(fā)射，其最大發(fā)射波長(zhǎng)在340nm 左右。同時(shí)，文獻(xiàn)作者發(fā)現(xiàn)模型物熒光強(qiáng)度會(huì)隨溶劑極性或質(zhì)子氫濃度的增加而增大，分析認(rèn)為該現(xiàn)象主要與兩個(gè)子結(jié)構(gòu)之間的分子內(nèi)熒光能量轉(zhuǎn)移受限有關(guān)，即當(dāng)分子內(nèi)熒光能量轉(zhuǎn)移變?nèi)鯐r(shí)，苯乙酮結(jié)構(gòu)對(duì)熒光的淬滅程度下降，從而導(dǎo)致整體熒光增強(qiáng)。除溶液體系外，Castellan等還報(bào)道了松柏醇、-羰基取代的-O-4型二聚體、苯基苯并呋喃和聯(lián)苯二酚4種模型物在纖維素表面的固體薄膜熒光性質(zhì)，其最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)分別約為340nm、355nm、385nm 和395nm。4 種模型物的發(fā)光波長(zhǎng)均比溶液狀態(tài)有所增加，這主要與模型物的聚集態(tài)差異有關(guān)。特別的是，-羰基取代的-O-4 型二聚體的薄膜和溶液熒光有顯著差別，該模型物由于羰基的熒光淬滅效應(yīng)在溶液中熒光強(qiáng)度極弱，但其在薄膜狀態(tài)下則顯示出明顯的熒光發(fā)射，文獻(xiàn)作者猜測(cè)該現(xiàn)象可能與-O-4連接鍵在薄膜狀態(tài)下發(fā)生部分裂解有關(guān)。其實(shí)，不僅是模型物，羰基對(duì)木質(zhì)素的熒光淬滅效應(yīng)在原本木質(zhì)素中也得到證實(shí)。Castellan 等研究了杉木薄片在硼氫化鈉還原前后的熒光行為。結(jié)果表明，杉木薄片經(jīng)硼氫化物還原后，其在320～500nm處的藍(lán)色熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)表征顯示熒光強(qiáng)度的增大幅度與杉木薄片中的羰基含量呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)，作者認(rèn)為該現(xiàn)象也說(shuō)明植物細(xì)胞壁熒光來(lái)自木質(zhì)素而非碳水化合物，因?yàn)榧词固妓衔锟梢园l(fā)射藍(lán)色熒光，也最可能來(lái)源于糖單元上的羰基或醛基，但這些富電子基團(tuán)被還原后，木材的熒光不降反升，說(shuō)明熒光并非來(lái)自碳水化合物。木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度除了受羰基化合物等熒光淬滅劑影響外，Davidson 等在研究漂白劑對(duì)紙漿殘留木質(zhì)素?zé)晒庥绊憰r(shí)提出自吸收效應(yīng)也是影響木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度的主要原因之一。作者發(fā)現(xiàn)隨著雙氧水漂白次數(shù)的增加，紙漿殘留木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度不降反升。根據(jù)紙漿吸收光譜的變化規(guī)律，認(rèn)為木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度的增加主要與420～450nm 處的黃色吸光團(tuán)被漂白劑破壞有關(guān)。

圖4 對(duì)木質(zhì)素?zé)晒庥绊戄^大的模型化合物[24-26,28-30,34]

由于木質(zhì)素大分子內(nèi)包含多種不同結(jié)構(gòu)的熒光團(tuán)，單一熒光團(tuán)的熒光光譜往往無(wú)法與真實(shí)木質(zhì)素完全匹配。Tylli等采用反卷積分峰方法對(duì)紙漿殘留木質(zhì)素的寬熒光光譜進(jìn)行了分峰處理，并利用26 種共軛程度較強(qiáng)的模型物熒光光譜進(jìn)行線性加權(quán)擬合，通過(guò)譜圖匹配性和模型物結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量來(lái)識(shí)別熒光團(tuán)。結(jié)果顯示，除肉桂酸、香豆素、黃酮類和二苯乙烯四種結(jié)構(gòu)的最大發(fā)射波長(zhǎng)可以與木質(zhì)素小于450nm的短波長(zhǎng)熒光發(fā)射相匹配外，其他所有結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長(zhǎng)均太短。然而，發(fā)射波長(zhǎng)大于450nm的模型物并沒(méi)有找到，作者猜測(cè)木質(zhì)素長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射與其在氧化偶聯(lián)過(guò)程中生成的延伸共軛體系有關(guān)。Albinsson 等則進(jìn)一步研究了順-反異構(gòu)和苯并呋喃單元對(duì)二苯乙烯類模型物熒光性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，二苯乙烯模型物的順-反異構(gòu)體熒光性質(zhì)表現(xiàn)出很大差異，其中反式結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)熒光，最大發(fā)光波長(zhǎng)在383nm處，而順式結(jié)構(gòu)在室溫下不顯示任何熒光。根據(jù)二者的單晶結(jié)構(gòu)差異，作者將其熒光差異歸結(jié)為反式結(jié)構(gòu)的平面性好，而順式結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)激發(fā)態(tài)弛豫現(xiàn)象嚴(yán)重。具有苯并呋喃單元的二苯乙烯類模型物由于有化學(xué)鍵連接，其分子平面性進(jìn)一步增強(qiáng)，從而表現(xiàn)出更強(qiáng)的熒光發(fā)射。最后，根據(jù)磨木木質(zhì)素和上述模型物的熒光光譜形狀對(duì)比結(jié)果，作者得出含有苯并呋喃單元的二苯乙烯類模型物熒光與真實(shí)木質(zhì)素的匹配性更高。

Gardrat 等報(bào)道了不同酚羥基醚化基團(tuán)對(duì)5-5鍵模型物熒光性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，未取代的聯(lián)苯二酚型模型物的熒光量子產(chǎn)率最高，最大發(fā)射波長(zhǎng)最長(zhǎng)，分別達(dá)到0.33 和380nm。當(dāng)酚羥基被甲基、苯甲基等基團(tuán)醚化后，模型物熒光量子效率顯著降低，最大發(fā)射波長(zhǎng)也向短波長(zhǎng)移動(dòng)。作者認(rèn)為發(fā)射光譜的藍(lán)移主要由酚羥基和烷氧基的助色作用強(qiáng)弱不同導(dǎo)致，不過(guò)熒光量子效率的顯著差別則很難解釋。作者繼續(xù)合成了八元環(huán)醚化結(jié)構(gòu)的5-5鍵模型物，盡管最大發(fā)射波長(zhǎng)仍然藍(lán)移，但分子的熒光量子效率只是略有下降。與甲基醚化后的結(jié)構(gòu)相比，聯(lián)苯二酚型模型物兩個(gè)子結(jié)構(gòu)之間存在氫鍵作用，相對(duì)運(yùn)動(dòng)受限，八元環(huán)醚化結(jié)構(gòu)則通過(guò)化學(xué)鍵限制了兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的自由運(yùn)動(dòng)。因此，作者提出模型物的熒光量子產(chǎn)率大小與其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的不同振動(dòng)模式有關(guān)。根據(jù)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光理論，認(rèn)為上述現(xiàn)象主要與5-5 鍵的分子旋轉(zhuǎn)受限有關(guān)。之后，Machado 等則采用密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步說(shuō)明了5-5鍵模型物的分子旋轉(zhuǎn)對(duì)其熒光量子產(chǎn)率的影響機(jī)制。5-5鍵模型物的勢(shì)能曲線顯示苯環(huán)的相對(duì)位置變化會(huì)影響分子激發(fā)態(tài)和三重態(tài)之間的帶隙大小，部分構(gòu)象甚至?xí)霈F(xiàn)單重態(tài)和三重態(tài)能量的交叉重疊，此時(shí)系間竄越成為5-5 鍵模型物分子激發(fā)態(tài)能量耗散的主要原因，見(jiàn)圖5。當(dāng)5-5 鍵的自由旋轉(zhuǎn)受限后，可以有效抑制系間竄越從而提高熒光量子產(chǎn)率。2013 年，L?hdetie 等則對(duì)木質(zhì)素的長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光來(lái)源提供了一種解釋方案。作者研究了以-O-4和5-5鍵為主要連接鍵的二聚體、三聚體和四聚體模型物在532nm 超長(zhǎng)波長(zhǎng)激光激發(fā)下的熒光性質(zhì)。結(jié)果顯示，與非共軛的-O-4鍵相比，擁有共軛5-5鍵木質(zhì)素模型物在532nm波長(zhǎng)的激發(fā)下仍然有較明顯的熒光發(fā)射，而且其熒光強(qiáng)度與5-5鍵的可自由旋轉(zhuǎn)程度呈正相關(guān)，即自由旋轉(zhuǎn)程度越高，熒光強(qiáng)度越強(qiáng)。按照常規(guī)理論，文中5-5鍵模型物的分子共軛程度不足以發(fā)出大于532nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光，作者猜測(cè)模型物的5-5鍵可以為離域電子共軛提供更多路徑，而且分子構(gòu)象也是影響熒光的關(guān)鍵因素。盡管作者檢測(cè)到5-5 鍵模型物存在超長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光發(fā)射，但其強(qiáng)度仍然很弱，需采用激光作為激發(fā)光源，而木質(zhì)素在普通光源的激發(fā)下就有長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光發(fā)射。因此，木質(zhì)素長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光來(lái)源仍然有待探索。上述研究均以小分子模型物的熒光性質(zhì)為參照，但小分子模型物畢竟與木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)差別大，其結(jié)論存在一定局限性。

圖5 5-5鍵模型物的S0、S1、T1結(jié)構(gòu)模型和部分電子能級(jí)的勢(shì)能曲線[33]

2006 年，Radoti? 等首次以松柏醇脫氫寡聚物代替小分子模型物為研究對(duì)象，采用反卷積技術(shù)分析其熒光光譜和壽命來(lái)推測(cè)發(fā)光基團(tuán)。首先，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)大于360nm后，該寡聚物也具有可見(jiàn)光熒光發(fā)射，其最大發(fā)射波長(zhǎng)約在440nm，而且隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加，熒光發(fā)射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，說(shuō)明寡聚物也屬于多熒光團(tuán)發(fā)光體系。其次，反卷積結(jié)果顯示，寡聚物根據(jù)發(fā)光波長(zhǎng)劃分的熒光團(tuán)最少包含四種，其波長(zhǎng)位置分別位于425～430nm、483～491nm、501～507nm 和535～540nm；根據(jù)熒光壽命劃分，寡聚物也含有四個(gè)動(dòng)力學(xué)組分，其發(fā)光壽命分別為0.07ns、0.50ns、1.9ns和7.7ns，且熒光壽命越短，組分的發(fā)射波長(zhǎng)能量越高，所占權(quán)重越大。最后，作者認(rèn)為雖然寡聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)較真實(shí)木質(zhì)素簡(jiǎn)單，但其長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)依然無(wú)法判斷，猜測(cè)其不同熒光團(tuán)可能是分子結(jié)構(gòu)差異，也可能是分子所處化學(xué)環(huán)境的差異。2007 年，Djikanovi? 等繼續(xù)采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型對(duì)松柏醇、阿魏酸和松柏醇寡聚物三種木質(zhì)素模型物的熒光光譜進(jìn)行反卷積處理，分析其熒光團(tuán)數(shù)量。盡管松柏醇和阿魏酸均是單苯環(huán)小分子模型物，但擬合結(jié)果顯示松柏醇只含有一個(gè)熒光基團(tuán)，而阿魏酸卻含有兩個(gè)熒光基團(tuán)，概率密度計(jì)算顯示其最大發(fā)射波長(zhǎng)分別位于390nm和420nm。作者猜測(cè)阿魏酸會(huì)因氫鍵作用在有機(jī)溶劑中形成二聚體，從而顯示出兩個(gè)熒光團(tuán)的發(fā)射光譜。松柏醇寡聚物的結(jié)果則更為復(fù)雜，其反卷積結(jié)果顯示熒光光譜來(lái)自多個(gè)不同的熒光基團(tuán)，分別位于397nm、420nm、440nm、460nm、480nm和505nm，作者認(rèn)為這主要與松柏醇在脫氫耦合過(guò)程中形成的多級(jí)共軛體系有關(guān)，但具體結(jié)構(gòu)不清晰。同時(shí)，Djikanovi? 等合成的松柏醇脫氫寡聚物的熒光性質(zhì)與Radotic 等的結(jié)果存在顯著差異，說(shuō)明即使木質(zhì)素合成前體結(jié)構(gòu)完全相同，合成條件相似，但由于聚合位點(diǎn)的隨機(jī)性和無(wú)序性，寡聚物的熒光性質(zhì)也不盡相同，這無(wú)疑進(jìn)一步增加了木質(zhì)素?zé)晒獾难芯侩y度。Djikanovi? 等研究了松柏醇寡聚物以及分別摻雜了10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）阿魏酸和對(duì)香豆酸的兩種二元寡聚物的熒光性質(zhì)。結(jié)果顯示，在360nm波長(zhǎng)激發(fā)下，三種寡聚物均可以發(fā)出可見(jiàn)光區(qū)域的熒光。與純松柏醇寡聚物相比，摻雜了阿魏酸的熒光光譜發(fā)生了藍(lán)移，摻雜了對(duì)香豆酸的熒光光譜發(fā)生了紅移。根據(jù)聚合物結(jié)構(gòu)分析，這主要與摻雜單體的活性聚合位點(diǎn)有關(guān)，對(duì)香豆酸酚羥基鄰位沒(méi)有被甲氧基取代，脫氫耦合過(guò)程中生成了共軛程度更高的熒光團(tuán)，所以熒光光譜表現(xiàn)為紅移，阿魏酸則恰恰相反。然而，當(dāng)阿魏酸的摻雜量提高到20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，寡聚物熒光光譜發(fā)生較大變化，在535nm左右出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，結(jié)構(gòu)分析顯示寡聚物中形成了更長(zhǎng)的C＝C 鍵共軛結(jié)構(gòu)域，可以形成更大的共軛大分子，所以熒光光譜紅移。和小分子模型物相比，寡聚物的熒光性質(zhì)與真實(shí)木質(zhì)素相似，屬于多熒光團(tuán)體系，且聚合后產(chǎn)生了長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光團(tuán)。然而，雖然寡聚物的聚合單體結(jié)構(gòu)和組分含量可控，但單元之間的連接方式多樣無(wú)序，亦無(wú)法精準(zhǔn)判斷不同波長(zhǎng)熒光團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

除模型法之外，以植物細(xì)胞壁為對(duì)象，通過(guò)分析原本木質(zhì)素在定向處理前后的熒光變化探究木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)結(jié)構(gòu)也是研究策略之一。Harris 等采用紫外熒光顯微鏡對(duì)比了草本植物細(xì)胞壁在氨氣堿化處理前后的熒光行為。結(jié)果顯示，細(xì)胞壁在氨氣處理后熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，而且未完全木質(zhì)化的細(xì)胞壁熒光顏色還會(huì)由藍(lán)色變?yōu)榫G色。根據(jù)草本植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這主要是由于未完全木質(zhì)化的細(xì)胞壁中存在單酯鍵連接的阿魏酸和對(duì)香豆酸，堿性條件下苯酚結(jié)構(gòu)電離為酚氧負(fù)離子，電子云密度增大，從而使熒光發(fā)射從藍(lán)色紅移到綠色，說(shuō)明草本植物細(xì)胞壁中木質(zhì)素?zé)晒鈦?lái)源可能與阿魏酸和香豆素酯有關(guān)。Morales 等以可能發(fā)射出藍(lán)綠色熒光的四種甜菜葉內(nèi)源性化合物，阿魏酸、對(duì)香豆酸、山柰酚和槲皮素為對(duì)象，從穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和溫敏熒光等方面探究了甜菜葉片藍(lán)綠色熒光的來(lái)源。結(jié)果表明，山柰酚和槲皮素的熒光強(qiáng)度很弱，可以首先排除。與對(duì)香豆酸相比，阿魏酸的熒光強(qiáng)度相對(duì)最高，且最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)可以達(dá)到420nm，與甜菜葉片的藍(lán)綠色熒光最匹配。同時(shí)，阿魏酸的熒光壽命與甜菜葉片藍(lán)綠色熒光的主要?jiǎng)恿W(xué)熒光團(tuán)（70%）一致，并且二者的溫敏熒光變化也相似。因此，作者認(rèn)為阿魏酸是甜菜葉片藍(lán)綠色熒光的主要來(lái)源。在此基礎(chǔ)上，Lichtenthaler 等通過(guò)對(duì)比不同類別、不同生長(zhǎng)環(huán)境和堿水解處理前后的植物葉片藍(lán)綠色熒光強(qiáng)度變化，并與其阿魏酸含量相關(guān)聯(lián)，探究植物葉片藍(lán)綠色熒光來(lái)源。結(jié)果顯示，單子葉禾木植物葉片（小麥、玉米等）的阿魏酸含量遠(yuǎn)高于雙子葉禾木植物葉片（狐尾草、馬齒莧等），與此同時(shí)，二者的藍(lán)綠色熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的大小規(guī)律。南瓜、向日葵等植物甚至不含阿魏酸，只含有少量咖啡酸，其藍(lán)綠色熒光強(qiáng)度更低。采用堿水解可以脫除這些植物細(xì)胞壁上的阿魏酸，對(duì)于本身阿魏酸含量極低的植物，其藍(lán)綠色熒光大小幾乎不變，而本身阿魏酸含量較高的植物，其藍(lán)綠色熒光強(qiáng)度顯著下降。作者根據(jù)上述結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了細(xì)胞壁上化學(xué)鍵連接的阿魏酸是植物葉片藍(lán)綠色熒光的主要來(lái)源。

研究人員對(duì)木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)的篩選開(kāi)展了大量工作，但迄今為止依然沒(méi)有定論，分析認(rèn)為主要由下面三方面原因造成。第一，不同來(lái)源木質(zhì)素的熒光差異導(dǎo)致篩選出的熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)不同。木質(zhì)素是由多種苯丙烷前體無(wú)序聚合而成的芳香族大分子，具有天然的異質(zhì)性和化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其各組分含量和子結(jié)構(gòu)連接方式均存在差異。因此，不同來(lái)源/批次木質(zhì)素可能篩選出不同結(jié)構(gòu)的模型物。第二，木質(zhì)素自身熒光性質(zhì)研究亟待加強(qiáng)。研究人員往往從熒光強(qiáng)度和發(fā)射波長(zhǎng)兩方面篩選與真實(shí)木質(zhì)素?zé)晒庀嘟哪Ｐ臀镒鳛槠錈晒鈭F(tuán)，此時(shí)木質(zhì)素自身熒光性質(zhì)測(cè)量的“準(zhǔn)確性”至關(guān)重要：一方面，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中存在羰基等熒光淬滅劑，對(duì)木質(zhì)素真實(shí)熒光強(qiáng)度的判斷造成干擾；另一方面，木質(zhì)素發(fā)光波長(zhǎng)與其紫外吸收光譜部分重疊，自吸收效應(yīng)不僅會(huì)影響木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度，甚至?xí)淖兤涔庾V形狀。第三，將木質(zhì)素看作單一熒光團(tuán)或相互作用可忽略的多熒光團(tuán)系統(tǒng)，存在一定局限性。木質(zhì)素多種熒光團(tuán)隨機(jī)分布在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，并非單獨(dú)存在。熒光團(tuán)間可能存在的電荷及能量轉(zhuǎn)移會(huì)使電子能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，從而影響木質(zhì)素整體的熒光光譜。上述文獻(xiàn)表明，甚至是二苯乙烯類、阿魏酸、5-5 鍵等小分子模型物的熒光性質(zhì)也與其聚集狀態(tài)密切相關(guān)，木質(zhì)素敏感的微結(jié)構(gòu)變化可能進(jìn)一步放大熒光團(tuán)間相互作用的影響。

2.2 木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)

前面介紹的研究工作多從單分子熒光團(tuán)或熒光團(tuán)間的簡(jiǎn)單線性加和來(lái)理解木質(zhì)素發(fā)光機(jī)制，但木質(zhì)素子結(jié)構(gòu)的差別不僅體現(xiàn)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，還體現(xiàn)在相對(duì)方向、間隔距離等微結(jié)構(gòu)的化學(xué)構(gòu)象上，部分熒光團(tuán)甚至在其微結(jié)構(gòu)的空間限域作用下發(fā)生電子能級(jí)的耦合與重排。

其實(shí)早在1978 年，Lundquist 等就報(bào)道了真實(shí)木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的耦合現(xiàn)象。作者在研究云杉磨木木質(zhì)素的基本熒光性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其熒光發(fā)射光譜和激發(fā)光譜的形狀幾乎不隨波長(zhǎng)（小于400nm）的改變而變化，說(shuō)明雖然木質(zhì)素屬于多熒光團(tuán)體系，但其熒光行為卻與只含有一個(gè)發(fā)色團(tuán)的分子相似，見(jiàn)圖6(a)。推測(cè)木質(zhì)素的熒光團(tuán)間存在相互作用，形成了無(wú)輻射能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，短波長(zhǎng)熒光團(tuán)部分能量通過(guò)該系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到末端的長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光團(tuán)，從而表現(xiàn)出熒光能量的一體性。為了驗(yàn)證木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的能量轉(zhuǎn)移行為，2003 年，Barsberg 等以典型的電子受體對(duì)苯醌為摻雜劑，研究了木質(zhì)素在摻雜前后的熒光變化，見(jiàn)圖6(b)。結(jié)果顯示，對(duì)苯醌使木質(zhì)素?zé)晒饧眲〈銣?，結(jié)合二者的吸收光譜性質(zhì)及其混合物的吸收光譜變化規(guī)律，作者認(rèn)為該淬滅現(xiàn)象不是由對(duì)苯醌的自吸收效應(yīng)導(dǎo)致的，而是木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)將其激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移到對(duì)苯醌，由于對(duì)苯醌不發(fā)光而導(dǎo)致熒光淬滅。其次，由于對(duì)苯醌的吸收光譜僅與木質(zhì)素?zé)晒夤庾V部分重疊，但木質(zhì)素?zé)晒鈪s表現(xiàn)出整體下降趨勢(shì)，即木質(zhì)素多熒光團(tuán)熒光能量對(duì)外表現(xiàn)出能量的一體性，這間接證明木質(zhì)素自身熒光團(tuán)間也存在激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移。最后，作者提出木質(zhì)素的熒光團(tuán)并非某個(gè)確定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而是子結(jié)構(gòu)通過(guò)分子間相互作用力誘導(dǎo)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移后形成的準(zhǔn)分子或激態(tài)復(fù)合物，換句話說(shuō)，木質(zhì)素的真實(shí)發(fā)光基團(tuán)往往是其熒光團(tuán)間的聚集耦合態(tài)。2015 年，Djikanovi? 等意外通過(guò)木質(zhì)素寡聚物的熱力學(xué)性能研究驗(yàn)證了木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的耦合行為。在對(duì)比不同比例松柏醇、阿魏酸和對(duì)羥基香豆酸三種單體脫氫耦合制備的木質(zhì)素寡聚物的熒光變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同寡聚物在堿性水溶液中具有形狀相似的可見(jiàn)光熒光發(fā)射，但熒光性質(zhì)與聚合單體組成比例關(guān)聯(lián)性較小，特征不明顯。有趣的是，在與高分子熱力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)不同寡聚物的最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度表現(xiàn)出良好的關(guān)聯(lián)性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，寡聚物的最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)越小。作者認(rèn)為上述結(jié)果說(shuō)明寡聚物熒光發(fā)射波長(zhǎng)與其分子膠團(tuán)的緊密度有關(guān)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，膠團(tuán)的緊密度越高，分子內(nèi)聚集越嚴(yán)重，導(dǎo)致熒光發(fā)射波長(zhǎng)紅移。該研究從寡聚物角度間接驗(yàn)證了木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間存在相互作用。2019年，Qiu等在木質(zhì)素-羅丹明構(gòu)建的熒光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中再次驗(yàn)證了木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的能量轉(zhuǎn)移行為。在熒光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中[見(jiàn)圖6(c)～(e)]，供體熒光團(tuán)的熒光壽命會(huì)因?yàn)榘l(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移而明顯減小。結(jié)果顯示，雖然木質(zhì)素的熒光光譜強(qiáng)度因發(fā)生能量轉(zhuǎn)移而整體降低，但只有與羅丹明吸收光譜重疊區(qū)域的木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)的熒光壽命明顯縮短，非重疊區(qū)域的熒光團(tuán)壽命幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明只有光譜重疊區(qū)域的木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)與羅丹明發(fā)生了非輻射能量轉(zhuǎn)移。作者認(rèn)為非重疊區(qū)域的熒光團(tuán)是通過(guò)木質(zhì)素膠團(tuán)內(nèi)固有的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，將熒光能量間接地轉(zhuǎn)移到羅丹明，從而保持木質(zhì)素?zé)晒饽芰康囊惑w性。

圖6 不同條件下的熒光光譜、平均熒光壽命及能量轉(zhuǎn)移途徑示意圖[23,29,42]

眾所周知，熒光團(tuán)間的距離會(huì)影響其相互作用的強(qiáng)弱。木質(zhì)素在提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生羥基、羧基甚至磺酸基等親水基團(tuán)，這使木質(zhì)素大分子聚集行為對(duì)環(huán)境變化異常敏感，擁有大分子弱聚電解質(zhì)特有的多尺度聚集行為。該復(fù)雜聚集行為為木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)的研究提供了更大的空間。2010年，Yan等報(bào)道了木質(zhì)素磺酸鹽在水溶液中的濃度聚集熒光行為。結(jié)果顯示，當(dāng)木質(zhì)素磺酸鹽濃度低到0.001g/L時(shí)，其激發(fā)光譜形狀與紫外吸收光譜基本一致，最大激發(fā)波長(zhǎng)在280nm處。隨著濃度的增加，280nm處的激發(fā)強(qiáng)度越來(lái)越弱，最大熒光激發(fā)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，濃度大于0.2g/L后移動(dòng)到350nm處，濃度大于0.5g/L后在400nm附近出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的肩峰，見(jiàn)圖7(a)。根據(jù)木質(zhì)素磺酸鹽微結(jié)構(gòu)的濃度聚集行為，作者認(rèn)為濃度誘導(dǎo)的木質(zhì)素聚集行為會(huì)使芳香環(huán)之間發(fā)生或增強(qiáng)耦合作用，從而導(dǎo)致激發(fā)光譜的紅移。同年，Deng等報(bào)道了堿木質(zhì)素在四氫呋喃中的濃度聚集熒光行為。結(jié)果顯示，在一定濃度范圍內(nèi)，雖然木質(zhì)素?zé)晒獍l(fā)射光譜的形狀和最大發(fā)射波長(zhǎng)隨濃度增加不發(fā)生變化，但對(duì)應(yīng)的熒光激發(fā)光譜則發(fā)生明顯紅移，見(jiàn)圖7(b)。根據(jù)分子激發(fā)態(tài)耦合理論，可以認(rèn)為上述光譜紅移現(xiàn)象說(shuō)明堿木質(zhì)素苯丙烷單元間的聚集行為屬于J-聚集。之后，Deng等繼續(xù)采用該方案研究了不同來(lái)源木質(zhì)素的濃度聚集熒光行為，發(fā)現(xiàn)了相似的激發(fā)光譜紅移現(xiàn)象，提出木質(zhì)素苯丙烷單元間的J-聚集屬于木質(zhì)素的固有性質(zhì)。除上述聚集熒光淬滅機(jī)理外，近年來(lái)，聚集誘導(dǎo)發(fā)光和聚集空間共軛等熒光基礎(chǔ)理論發(fā)展迅速，為解釋木質(zhì)素復(fù)雜的熒光行為提供了新思路。2016 年，Qiu 等基于木質(zhì)素在混合溶劑中的自組裝行為，首次報(bào)道了木質(zhì)素的分子內(nèi)聚集誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)現(xiàn)象?；旌先軇┲辛既軇?duì)木質(zhì)素有很好的溶解性，非良溶劑則很難溶解木質(zhì)素，通過(guò)增加非良溶劑的比例可以精確控制木質(zhì)素的聚集狀態(tài)。作者先以磺化堿木質(zhì)素為對(duì)象，研究了其在不同比例水/乙醇體系中的聚集熒光行為[見(jiàn)圖7(c)]，結(jié)果顯示，隨著不良溶劑乙醇含量的增加，木質(zhì)素發(fā)生聚集，其熒光發(fā)射強(qiáng)度隨之增大，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，熒光強(qiáng)度增大了15 倍左右。為了排除溶劑極性變化對(duì)木質(zhì)素?zé)晒獾挠绊懀髡哂盅芯苛嘶腔瘔A木質(zhì)素在十六烷基三甲基溴化銨的靜電相互作用誘導(dǎo)下的聚集熒光行為[見(jiàn)圖7(d)]，結(jié)果顯示，隨著十六烷基三甲基溴化銨含量的增加，木質(zhì)素?zé)晒庖廊槐憩F(xiàn)出典型的聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)。然而，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象換為堿木質(zhì)素時(shí)，其在混合溶劑中卻表現(xiàn)出聚集熒光淬滅現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)堿木質(zhì)素和磺化堿木質(zhì)素聚集行為的深入分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雖然從宏觀尺度看堿木質(zhì)素可以很好地溶解在有機(jī)溶劑中，但由于缺乏靜電斥力，堿木質(zhì)素膠團(tuán)內(nèi)部聚集嚴(yán)重，可以說(shuō)堿木質(zhì)素在有機(jī)溶劑中的初始聚集狀態(tài)與磺化堿木質(zhì)素在90%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇中的相似。因此，隨著非良溶劑水的加入，剛性木質(zhì)素?zé)晒饽z團(tuán)間的聚集熒光行為與傳統(tǒng)的聚集熒光淬滅效應(yīng)一致。隨后，作者將堿木質(zhì)素的良溶劑換為堿溶液，引入靜電斥力，此時(shí)的堿木質(zhì)素也表現(xiàn)出聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)。結(jié)合木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作者推斷木質(zhì)素膠團(tuán)內(nèi)聚集導(dǎo)致的熒光團(tuán)的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限和羰基等富電子基團(tuán)的聚集空間共軛效應(yīng)是其聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)的主要原因。

圖7 不同條件下木質(zhì)素的熒光激發(fā)光譜和熒光光譜[43-44,46]

除上述兩種木質(zhì)素外，2018年，Li等在酶解木質(zhì)素體系中報(bào)道了聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)。在研究酶解木質(zhì)素在乙醇中的濃度聚集熒光行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度達(dá)到0.02mg/mL時(shí)，酶解木質(zhì)素的熒光強(qiáng)度由原先的線性增加轉(zhuǎn)為跳躍式增強(qiáng)，見(jiàn)圖8(a)。根據(jù)紫外吸收光譜的相應(yīng)變化，作者猜測(cè)酶解木質(zhì)素的濃度聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)主要與木質(zhì)素苯丙烷單元的J-聚集有關(guān)。作者繼續(xù)研究了酶解木質(zhì)素在堿溶液/乙醇（良/非良）混合溶劑中的聚集熒光行為[見(jiàn)圖8(b)]，結(jié)果顯示酶解木質(zhì)素表現(xiàn)出典型的聚集熒光增強(qiáng)效應(yīng)。認(rèn)為堿溶液會(huì)使酶解木質(zhì)素的酚羥基等官能團(tuán)發(fā)生電離，破壞木質(zhì)素分子內(nèi)原本的J-聚集，加入非良溶劑乙醇后，J-聚集效應(yīng)再次增強(qiáng)，木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度與J-聚集的相關(guān)性再次說(shuō)明木質(zhì)素苯丙烷單元間的J-聚集行為是誘導(dǎo)木質(zhì)素聚集熒光增強(qiáng)的原因。2020 年，Qiu 等基于傳統(tǒng)的共軛發(fā)光和聚集誘導(dǎo)發(fā)光理論，分別從木質(zhì)素膠團(tuán)間/膠團(tuán)內(nèi)等不同聚集維度和溶劑極性、pH、離子強(qiáng)度、陽(yáng)離子添加劑等不同溶劑環(huán)境角度，對(duì)木質(zhì)素的聚集熒光行為和機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，濃度誘導(dǎo)的木質(zhì)素膠團(tuán)間聚集不會(huì)形成激態(tài)締合物或因碰撞發(fā)生激發(fā)態(tài)能量耗散，對(duì)木質(zhì)素?zé)晒獠划a(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，該現(xiàn)象被認(rèn)為與松散木質(zhì)素膠團(tuán)所形成的空間位阻效應(yīng)相關(guān)。常見(jiàn)的木質(zhì)素濃度聚集熒光淬滅和熒光發(fā)射/激發(fā)光譜紅移現(xiàn)象主要由自吸收效應(yīng)導(dǎo)致[見(jiàn)圖8(c)]，而且吸收光譜中波長(zhǎng)的相對(duì)吸光度越大，對(duì)應(yīng)的熒光淬滅濃度拐點(diǎn)越低，從而造成木質(zhì)素最大熒光激發(fā)波長(zhǎng)隨濃度增大向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)的現(xiàn)象，見(jiàn)圖8(d)。因此，前期研究結(jié)果中根據(jù)濃度誘導(dǎo)木質(zhì)素?zé)晒夤庾V紅移得出的J-聚集結(jié)果需要進(jìn)一步驗(yàn)證。松散木質(zhì)素膠團(tuán)內(nèi)聚集則會(huì)誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)，與前期文獻(xiàn)結(jié)果一致，然而當(dāng)膠團(tuán)緊密度超過(guò)一定臨界值后，木質(zhì)素會(huì)由聚集熒光增強(qiáng)型熒光團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂療晒獯銣缧蜔晒鈭F(tuán)，該現(xiàn)象可能與木質(zhì)素松散膠團(tuán)壓縮導(dǎo)致的空間位阻效應(yīng)減弱有關(guān)。上述膠團(tuán)間和膠團(tuán)內(nèi)聚集熒光規(guī)律與木質(zhì)素在不同pH 和離子強(qiáng)度等溶劑環(huán)境顯示的復(fù)雜聚集熒光行為一致。

圖8 木質(zhì)素在不同條件下的光譜圖[11,47]

即使與纖維素、半纖維素等通過(guò)共價(jià)鍵和分子間作用力固定在植物細(xì)胞壁中，原本木質(zhì)素的熒光對(duì)其聚集狀態(tài)變化也具有響應(yīng)性。2010 年，Donaldson 等采用共聚焦熒光顯微鏡研究了原本木質(zhì)素隨木材壓縮程度變化的熒光行為，見(jiàn)圖9(a)、(b)。結(jié)果顯示，隨著壓縮程度的增強(qiáng)，原本木質(zhì)素在紫外線激發(fā)下的熒光強(qiáng)度增大，且最大發(fā)射波長(zhǎng)紅移，從紫色移動(dòng)到藍(lán)色，說(shuō)明原本木質(zhì)素中的苯基丙烷單元會(huì)在擠壓下聚集形成更大的共軛體系。隨后，Donaldson 等采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的瞬態(tài)熒光技術(shù)繼續(xù)研究了木材壓縮程度對(duì)原本木質(zhì)素?zé)晒鈮勖挠绊?。結(jié)果顯示，與正常木材相比，壓縮木材中的原本木質(zhì)素的平均熒光壽命顯著降低，從0.473ns下降到0.418ns。作者將二者的熒光壽命區(qū)別歸結(jié)于化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子環(huán)境兩方面原因?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)方面，壓縮木材中的原本木質(zhì)素共軛程度大，擁有更長(zhǎng)的C＝C/C―C鍵交替體系，這些平行取向的共軛熒光團(tuán)隨著聚集程度的增強(qiáng)容易導(dǎo)致熒光壽命降低；分子環(huán)境方面，由于正常木材和壓縮木材生長(zhǎng)環(huán)境的差異，細(xì)胞壁中與原本木質(zhì)素結(jié)合的非熒光多糖結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致二者熒光壽命產(chǎn)生差別。2017年，Auxenfans等研究了蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素?zé)晒獾挠绊慬見(jiàn)圖9(c)、(d)]，作者發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破預(yù)處理會(huì)導(dǎo)致原本木質(zhì)素?zé)晒鈴?qiáng)度明顯降低，然而組分含量分析顯示熒光損失并非源于木質(zhì)素含量的降低。作者認(rèn)為高強(qiáng)度的預(yù)處理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素-芳基醚鍵含量降低，空間聚集結(jié)構(gòu)遭到破壞而導(dǎo)致熒光降低，即木質(zhì)素聚集程度與其熒光強(qiáng)度呈正相關(guān)。不過(guò)，由于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的限制，難以系統(tǒng)性地揭示木質(zhì)素微結(jié)構(gòu)聚集行為對(duì)其熒光的影響規(guī)律。

圖9 不同樣品的共聚焦熒光圖像和三維熒光圖[48,50]

在木質(zhì)素微結(jié)構(gòu)聚集行為研究和聚集誘導(dǎo)發(fā)光理論的基礎(chǔ)上，木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)的研究近年來(lái)取得了一些進(jìn)展，從宏觀層面基本明確了木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的相互作用以及膠團(tuán)間和膠團(tuán)內(nèi)兩種木質(zhì)素基本聚集行為對(duì)其熒光的影響規(guī)律和作用機(jī)制。因此，單獨(dú)分析木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)往往意義有限，木質(zhì)素真實(shí)發(fā)光基團(tuán)是這些熒光團(tuán)間的聚集耦合態(tài)。在此基礎(chǔ)上，認(rèn)為還有以下兩方面問(wèn)題需要思考：第一，木質(zhì)素存在多尺度復(fù)雜聚集行為，木質(zhì)素聚集行為對(duì)熒光的影響規(guī)律需從不同角度和維度進(jìn)一步完善，構(gòu)建木質(zhì)素物化性質(zhì)-溶液行為-熒光變化的關(guān)聯(lián)模型；第二，木質(zhì)素聚集熒光行為僅從宏觀層面反映了聚集行為變化對(duì)熒光團(tuán)間耦合作用的影響規(guī)律，需進(jìn)一步從微觀分子層面揭示木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的耦合機(jī)制，才可能取得更多突破。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)篩選和木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)研究?jī)煞矫婵偨Y(jié)并討論了木質(zhì)素?zé)晒鈾C(jī)理的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其中的一些問(wèn)題進(jìn)行了梳理凝練。在木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)篩選方面，相關(guān)研究主要通過(guò)對(duì)比模型物熒光性質(zhì)或分析木質(zhì)素定向處理前后的熒光變化規(guī)律來(lái)確定木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)結(jié)構(gòu)，不同來(lái)源木質(zhì)素往往篩選出的熒光團(tuán)結(jié)構(gòu)存在差異。這一現(xiàn)象盡管與木質(zhì)素的異質(zhì)性和復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，但更主要是對(duì)木質(zhì)素自身熒光性質(zhì)研究不透徹，忽略了木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間相互作用的影響。在木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間聚集耦合態(tài)研究方面，相關(guān)研究主要通過(guò)調(diào)控木質(zhì)素聚集狀態(tài)或添加熒光受體來(lái)分析木質(zhì)素?zé)晒鈾C(jī)理。目前，雖然對(duì)木質(zhì)素基本聚集熒光行為的作用規(guī)律和影響機(jī)制有了一些認(rèn)識(shí)，但仍然需結(jié)合木質(zhì)素的多尺度復(fù)雜聚集行為，從不同角度和維度完善二者的關(guān)聯(lián)模型，并進(jìn)一步從分子層面揭示木質(zhì)素?zé)晒鈭F(tuán)間的耦合機(jī)制。

總的來(lái)說(shuō)，木質(zhì)素?zé)晒獾膹?fù)雜性不光在于其化學(xué)結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮木質(zhì)素微結(jié)構(gòu)聚集行為引起的激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移。由于無(wú)法直接監(jiān)測(cè)電子的躍遷過(guò)程，目前只能基于理論和經(jīng)驗(yàn)對(duì)木質(zhì)素?zé)晒鈾C(jī)理進(jìn)行推導(dǎo)和判斷。盡管研究人員已經(jīng)做了一些工作，但木質(zhì)素?zé)晒獾难芯咳匀惶幱谄鸩诫A段，有待進(jìn)一步拓展和深入，期待未來(lái)木質(zhì)素?zé)晒鈾C(jī)理研究隨著觀測(cè)技術(shù)和研究理論的進(jìn)步取得較大發(fā)展。除了熒光機(jī)理復(fù)雜外，木質(zhì)素?zé)晒饬孔有实?、?yīng)用領(lǐng)域范圍較窄也制約著這種天然熒光材料的應(yīng)用前景?？上驳氖?，近年來(lái)木質(zhì)素碳點(diǎn)研究發(fā)展迅速，可能是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素?zé)晒馓匦怨δ芑耐黄瓶凇?/p>