木質素熒光研究進展

申琪，薛雨源，楊濤偉，張妍，李勝任

（太原理工大學化學化工學院，山西 太原 030024）

木質纖維素類生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素三部分組成，因其量大、可再生、廉價易得等特點，為全球能源消費從化石資源向可再生碳資源轉移提供了巨大潛力。然而，由于結構復雜，木質素的高效利用一直以來都是生物質轉化和應用過程中的瓶頸。基于木質素的獨特物化性質，開拓其在相應領域的功能化應用，成為推動木質素資源化的一個重要研究方向。

近年來，基于木質素芳香結構、表面活性等獨特物化性質的熱點研究不斷涌現，涵蓋大宗化學品和燃料、精細化學品和功能材料等領域。特別地，與纖維素和半纖維素相比，木質素是一種天然高分子熒光材料。近年來，熒光技術因其靈敏度高和非破壞性檢測等優勢，成為細胞成像與環境檢測等領域的重要方法。木質素作為一種天然熒光團，因其生物相容性好和可再生等優點，在熒光檢測、示蹤及傳感器領域極具應用潛力。目前，木質素熒光主要應用于植物細胞壁成像，利用木質素在植物中的特異性和無標記成像方面的優勢，在顯微鏡下觀察木材或紙纖維中的木質素；部分科研工作者也探索了木質素作為熒光探針在檢測金屬離子、小分子化合物和細胞內pH 響應等領域的應用。木質素的熒光特性為木質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，木質素的熒光機理和調控機制并不清晰，且相關研究結果時間跨度較長，總結凝練不足，制約著這種天然熒光材料的應用前景。

為了更好地推動木質素熒光研究，本文系統地綜述了木質素熒光的研究現狀，并分別對其研究思路和存在的科學問題進行了總結和凝練。按照研究思路的區別，木質素熒光研究可以分為兩大類：第一類是將木質素看作單一熒光團或多熒光團間的線性加和系統，通過對比不同結構模型物與真實木質素的熒光性質，篩選出潛在的熒光團；第二類則以木質素熒光團間的聚集耦合態為對象，通過研究木質素熒光的基本性質和變化規律揭示其耦合作用機制，闡明熒光機理，見圖1。最后，本文對木質素熒光領域的研究和應用進行了展望。

圖1 木質素熒光研究的發展進程

1 木質素熒光簡介

植物組織中含有大量的天然熒光分子，其最大發光波長可以覆蓋整個可見光波段，其中木質素是植物中最重要的天然熒光分子之一，在紫外線下會發射出藍綠色熒光，見圖2。因其光致發光的天然屬性，木質素熒光早在20世紀50 年代就被用在造紙工業的實時監控和質量檢測，之后在熒光共聚焦顯微鏡的輔助下，原本木質素的自熒光標記更多被用于木材結構分析、植物木質化過程監控和木材/紙漿的光化學反應等植物學研究領域。熒光性質方面，木質素屬于多熒光團發光體系，但由于復雜的化學結構和構型構象，其熒光團結構并不清楚，目前推測出的可能熒光團結構包括松柏醇衍生物、聯苯、阿魏酸、二苯乙烯和苯基苯并呋喃等。同時，木質素熒光團之間還存在復雜的電荷和能量轉移行為，這進一步增加了木質素熒光的解析難度。

圖2 植物中常見熒光化合物及其發射波長[9]

2 木質素熒光機理

木質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。木質素分子共軛程度較低，但其熒光波長可以覆蓋近紫外和整個可見光波段，其化學結構與整體熒光發射波長不匹配，無法合理解釋木質素的長波長熒光來源。為此，通過對比模型物與真實木質素的熒光性質或分析木質素在定向處理前后的熒光變化規律，探尋木質素中可能存在的大共軛結構，是木質素熒光研究的主要內容。本節將從木質素熒光團化學結構的篩選和木質素熒光團間聚集耦合態的研究出發，討論木質素熒光研究現狀。

2.1 木質素熒光團化學結構的篩選

根據木質素組成單元的結構特點，Konschin等先以單苯環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取代基對苯乙烯發光波長的影響。結果顯示，苯乙烯的熒光發射波長在294nm左右，在位引入助色團對其熒光幾乎沒有影響；取代基在3位時，最大發光波長有微小的紅移；取代基在對位時，發光波長移動最為明顯，紅移可達10nm 以上，其中酚羥基的助色作用最強，光譜紅移達到17～18nm，但仍然無法與真實木質素熒光相提并論。在此基礎上，Lundquist等較為全面地分析了不同共軛程度木質素模型物的熒光光譜，包括低共軛的單苯環和二聚體模型物，中等共軛程度的聯苯、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，見圖3。結果顯示，在熒光強度方面，二苯乙烯結構和羰基/羧酸基取代的芳基丙烷對木質素影響最大，其中二苯乙烯類模型物表現出遠高于其他所有模型物的熒光量子產率，具有苯并呋喃結構的二苯乙烯類模型物更是達到0.61；羰基/羧酸基取代的芳基丙烷模型物則表現出極低的熒光量子產率，分析認為這與羰基/羧酸取代基的熒光淬滅效應有關。在發射波長方面，松柏醇衍生物和二苯乙烯類模型物的最大熒光發射波長與磨木木質素最為接近。雖然Lundquist 等篩選了大量不同結構的模型物，但僅測試了它們在二氧六環或二氧六環/水混合液[50%∶50%（體積分數）]中的熒光光譜，并未對它們的熒光性質進行深入研究。

圖3 不同共軛程度的木質素模型物[23]

之后，研究人員對幾種重要模型物的熒光性質進行了深入分析，見圖4。Lang 等繼續對苯丙烯酸和二苯乙烯這兩類對木質素熒光強度影響最大的結構進行研究，與Lundquist 等的不同之處是將溶劑從二氧六環/水混合液換成了甲醇。結果顯示，苯丙烯酸類模型物的熒光光譜變化不大，強度較小，最大熒光發射波長仍在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射波長仍然在390nm左右，但其在甲醇中的熒光強度急劇下降，甚至比苯丙烯酸類模型物的還要弱。文獻作者并未對該現象進行討論，本文作者認為該現象主要與二苯乙烯類模型物的聚集誘導發光效應有關。二苯乙烯類模型物屬于典型的聚集誘導發光型熒光團，在二氧六環中摻入50%（體積分數）的水會使其發生聚集，從而顯示出較高的熒光發射，不過作者當時并沒有意識到聚集態對二苯乙烯類分子熒光的影響。Beyer 等則對-羰基取代的-O-4 型二聚體模型物的熒光性質進行了深入研究。結果顯示，-O-4 連接鍵會阻斷兩個苯環之間的π-π 共軛，模型物熒光表現為兩個子結構的熒光加和，其中苯乙酮結構由于羰基的淬滅效應導致熒光強度很弱，模型物分子的熒光光譜主要為愈創木酚結構的熒光發射，其最大發射波長在340nm 左右。同時，文獻作者發現模型物熒光強度會隨溶劑極性或質子氫濃度的增加而增大，分析認為該現象主要與兩個子結構之間的分子內熒光能量轉移受限有關，即當分子內熒光能量轉移變弱時，苯乙酮結構對熒光的淬滅程度下降，從而導致整體熒光增強。除溶液體系外，Castellan等還報道了松柏醇、-羰基取代的-O-4型二聚體、苯基苯并呋喃和聯苯二酚4種模型物在纖維素表面的固體薄膜熒光性質，其最大熒光發射波長分別約為340nm、355nm、385nm 和395nm。4 種模型物的發光波長均比溶液狀態有所增加，這主要與模型物的聚集態差異有關。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在溶液中熒光強度極弱，但其在薄膜狀態下則顯示出明顯的熒光發射，文獻作者猜測該現象可能與-O-4連接鍵在薄膜狀態下發生部分裂解有關。其實，不僅是模型物，羰基對木質素的熒光淬滅效應在原本木質素中也得到證實。Castellan 等研究了杉木薄片在硼氫化鈉還原前后的熒光行為。結果表明，杉木薄片經硼氫化物還原后，其在320～500nm處的藍色熒光強度顯著增強，結構表征顯示熒光強度的增大幅度與杉木薄片中的羰基含量呈負相關。同時，作者認為該現象也說明植物細胞壁熒光來自木質素而非碳水化合物，因為即使碳水化合物可以發射藍色熒光，也最可能來源于糖單元上的羰基或醛基，但這些富電子基團被還原后，木材的熒光不降反升，說明熒光并非來自碳水化合物。木質素熒光強度除了受羰基化合物等熒光淬滅劑影響外，Davidson 等在研究漂白劑對紙漿殘留木質素熒光影響時提出自吸收效應也是影響木質素熒光強度的主要原因之一。作者發現隨著雙氧水漂白次數的增加，紙漿殘留木質素熒光強度不降反升。根據紙漿吸收光譜的變化規律，認為木質素熒光強度的增加主要與420～450nm 處的黃色吸光團被漂白劑破壞有關。

圖4 對木質素熒光影響較大的模型化合物[24-26,28-30,34]

由于木質素大分子內包含多種不同結構的熒光團，單一熒光團的熒光光譜往往無法與真實木質素完全匹配。Tylli等采用反卷積分峰方法對紙漿殘留木質素的寬熒光光譜進行了分峰處理，并利用26 種共軛程度較強的模型物熒光光譜進行線性加權擬合，通過譜圖匹配性和模型物結構的相對含量來識別熒光團。結果顯示，除肉桂酸、香豆素、黃酮類和二苯乙烯四種結構的最大發射波長可以與木質素小于450nm的短波長熒光發射相匹配外，其他所有結構的發射波長均太短。然而，發射波長大于450nm的模型物并沒有找到，作者猜測木質素長波長發射與其在氧化偶聯過程中生成的延伸共軛體系有關。Albinsson 等則進一步研究了順-反異構和苯并呋喃單元對二苯乙烯類模型物熒光性質的影響。結果表明，二苯乙烯模型物的順-反異構體熒光性質表現出很大差異，其中反式結構具有較強熒光，最大發光波長在383nm處，而順式結構在室溫下不顯示任何熒光。根據二者的單晶結構差異，作者將其熒光差異歸結為反式結構的平面性好，而順式結構的分子內激發態弛豫現象嚴重。具有苯并呋喃單元的二苯乙烯類模型物由于有化學鍵連接，其分子平面性進一步增強，從而表現出更強的熒光發射。最后，根據磨木木質素和上述模型物的熒光光譜形狀對比結果，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木質素的匹配性更高。

Gardrat 等報道了不同酚羥基醚化基團對5-5鍵模型物熒光性質的影響。結果表明，未取代的聯苯二酚型模型物的熒光量子產率最高，最大發射波長最長，分別達到0.33 和380nm。當酚羥基被甲基、苯甲基等基團醚化后，模型物熒光量子效率顯著降低，最大發射波長也向短波長移動。作者認為發射光譜的藍移主要由酚羥基和烷氧基的助色作用強弱不同導致，不過熒光量子效率的顯著差別則很難解釋。作者繼續合成了八元環醚化結構的5-5鍵模型物，盡管最大發射波長仍然藍移，但分子的熒光量子效率只是略有下降。與甲基醚化后的結構相比，聯苯二酚型模型物兩個子結構之間存在氫鍵作用，相對運動受限，八元環醚化結構則通過化學鍵限制了兩個子結構的自由運動。因此，作者提出模型物的熒光量子產率大小與其內部能量轉換過程的不同振動模式有關。根據近年來發展起來的聚集誘導發光理論，認為上述現象主要與5-5 鍵的分子旋轉受限有關。之后，Machado 等則采用密度泛函理論計算進一步說明了5-5鍵模型物的分子旋轉對其熒光量子產率的影響機制。5-5鍵模型物的勢能曲線顯示苯環的相對位置變化會影響分子激發態和三重態之間的帶隙大小，部分構象甚至會出現單重態和三重態能量的交叉重疊，此時系間竄越成為5-5 鍵模型物分子激發態能量耗散的主要原因，見圖5。當5-5 鍵的自由旋轉受限后，可以有效抑制系間竄越從而提高熒光量子產率。2013 年，L?hdetie 等則對木質素的長波長熒光來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 超長波長激光激發下的熒光性質。結果顯示，與非共軛的-O-4鍵相比，擁有共軛5-5鍵木質素模型物在532nm波長的激發下仍然有較明顯的熒光發射，而且其熒光強度與5-5鍵的可自由旋轉程度呈正相關，即自由旋轉程度越高，熒光強度越強。按照常規理論，文中5-5鍵模型物的分子共軛程度不足以發出大于532nm的長波長熒光，作者猜測模型物的5-5鍵可以為離域電子共軛提供更多路徑，而且分子構象也是影響熒光的關鍵因素。盡管作者檢測到5-5 鍵模型物存在超長波長熒光發射，但其強度仍然很弱，需采用激光作為激發光源，而木質素在普通光源的激發下就有長波長熒光發射。因此，木質素長波長熒光來源仍然有待探索。上述研究均以小分子模型物的熒光性質為參照，但小分子模型物畢竟與木質素的結構差別大，其結論存在一定局限性。

圖5 5-5鍵模型物的S0、S1、T1結構模型和部分電子能級的勢能曲線[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象，采用反卷積技術分析其熒光光譜和壽命來推測發光基團。首先，當激發波長大于360nm后，該寡聚物也具有可見光熒光發射，其最大發射波長約在440nm，而且隨著激發波長的增加，熒光發射波長向長波方向移動，說明寡聚物也屬于多熒光團發光體系。其次，反卷積結果顯示，寡聚物根據發光波長劃分的熒光團最少包含四種，其波長位置分別位于425～430nm、483～491nm、501～507nm 和535～540nm；根據熒光壽命劃分，寡聚物也含有四個動力學組分，其發光壽命分別為0.07ns、0.50ns、1.9ns和7.7ns，且熒光壽命越短，組分的發射波長能量越高，所占權重越大。最后，作者認為雖然寡聚物的化學結構較真實木質素簡單，但其長波長熒光團結構依然無法判斷，猜測其不同熒光團可能是分子結構差異，也可能是分子所處化學環境的差異。2007 年，Djikanovi? 等繼續采用對數正態分布模型對松柏醇、阿魏酸和松柏醇寡聚物三種木質素模型物的熒光光譜進行反卷積處理，分析其熒光團數量。盡管松柏醇和阿魏酸均是單苯環小分子模型物，但擬合結果顯示松柏醇只含有一個熒光基團，而阿魏酸卻含有兩個熒光基團，概率密度計算顯示其最大發射波長分別位于390nm和420nm。作者猜測阿魏酸會因氫鍵作用在有機溶劑中形成二聚體，從而顯示出兩個熒光團的發射光譜。松柏醇寡聚物的結果則更為復雜，其反卷積結果顯示熒光光譜來自多個不同的熒光基團，分別位于397nm、420nm、440nm、460nm、480nm和505nm，作者認為這主要與松柏醇在脫氫耦合過程中形成的多級共軛體系有關，但具體結構不清晰。同時，Djikanovi? 等合成的松柏醇脫氫寡聚物的熒光性質與Radotic 等的結果存在顯著差異，說明即使木質素合成前體結構完全相同，合成條件相似，但由于聚合位點的隨機性和無序性，寡聚物的熒光性質也不盡相同，這無疑進一步增加了木質素熒光的研究難度。Djikanovi? 等研究了松柏醇寡聚物以及分別摻雜了10%（質量分數）阿魏酸和對香豆酸的兩種二元寡聚物的熒光性質。結果顯示，在360nm波長激發下，三種寡聚物均可以發出可見光區域的熒光。與純松柏醇寡聚物相比，摻雜了阿魏酸的熒光光譜發生了藍移，摻雜了對香豆酸的熒光光譜發生了紅移。根據聚合物結構分析，這主要與摻雜單體的活性聚合位點有關，對香豆酸酚羥基鄰位沒有被甲氧基取代，脫氫耦合過程中生成了共軛程度更高的熒光團，所以熒光光譜表現為紅移，阿魏酸則恰恰相反。然而，當阿魏酸的摻雜量提高到20%（質量分數）時，寡聚物熒光光譜發生較大變化，在535nm左右出現一個較強的熒光發射峰，結構分析顯示寡聚物中形成了更長的C＝C 鍵共軛結構域，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，寡聚物的熒光性質與真實木質素相似，屬于多熒光團體系，且聚合后產生了長波長熒光團。然而，雖然寡聚物的聚合單體結構和組分含量可控，但單元之間的連接方式多樣無序，亦無法精準判斷不同波長熒光團的化學結構。

除模型法之外，以植物細胞壁為對象，通過分析原本木質素在定向處理前后的熒光變化探究木質素熒光團結構也是研究策略之一。Harris 等采用紫外熒光顯微鏡對比了草本植物細胞壁在氨氣堿化處理前后的熒光行為。結果顯示，細胞壁在氨氣處理后熒光強度增強，而且未完全木質化的細胞壁熒光顏色還會由藍色變為綠色。根據草本植物細胞壁的結構特點，這主要是由于未完全木質化的細胞壁中存在單酯鍵連接的阿魏酸和對香豆酸，堿性條件下苯酚結構電離為酚氧負離子，電子云密度增大，從而使熒光發射從藍色紅移到綠色，說明草本植物細胞壁中木質素熒光來源可能與阿魏酸和香豆素酯有關。Morales 等以可能發射出藍綠色熒光的四種甜菜葉內源性化合物，阿魏酸、對香豆酸、山柰酚和槲皮素為對象，從穩態、瞬態和溫敏熒光等方面探究了甜菜葉片藍綠色熒光的來源。結果表明，山柰酚和槲皮素的熒光強度很弱，可以首先排除。與對香豆酸相比，阿魏酸的熒光強度相對最高，且最大熒光發射波長可以達到420nm，與甜菜葉片的藍綠色熒光最匹配。同時，阿魏酸的熒光壽命與甜菜葉片藍綠色熒光的主要動力學熒光團（70%）一致，并且二者的溫敏熒光變化也相似。因此，作者認為阿魏酸是甜菜葉片藍綠色熒光的主要來源。在此基礎上，Lichtenthaler 等通過對比不同類別、不同生長環境和堿水解處理前后的植物葉片藍綠色熒光強度變化，并與其阿魏酸含量相關聯，探究植物葉片藍綠色熒光來源。結果顯示，單子葉禾木植物葉片（小麥、玉米等）的阿魏酸含量遠高于雙子葉禾木植物葉片（狐尾草、馬齒莧等），與此同時，二者的藍綠色熒光強度表現出相同的大小規律。南瓜、向日葵等植物甚至不含阿魏酸，只含有少量咖啡酸，其藍綠色熒光強度更低。采用堿水解可以脫除這些植物細胞壁上的阿魏酸，對于本身阿魏酸含量極低的植物，其藍綠色熒光大小幾乎不變，而本身阿魏酸含量較高的植物，其藍綠色熒光強度顯著下降。作者根據上述結果，進一步驗證了細胞壁上化學鍵連接的阿魏酸是植物葉片藍綠色熒光的主要來源。

研究人員對木質素熒光團化學結構的篩選開展了大量工作，但迄今為止依然沒有定論，分析認為主要由下面三方面原因造成。第一，不同來源木質素的熒光差異導致篩選出的熒光團結構不同。木質素是由多種苯丙烷前體無序聚合而成的芳香族大分子，具有天然的異質性和化學結構的復雜性，其各組分含量和子結構連接方式均存在差異。因此，不同來源/批次木質素可能篩選出不同結構的模型物。第二，木質素自身熒光性質研究亟待加強。研究人員往往從熒光強度和發射波長兩方面篩選與真實木質素熒光相近的模型物作為其熒光團，此時木質素自身熒光性質測量的“準確性”至關重要：一方面，木質素結構中存在羰基等熒光淬滅劑，對木質素真實熒光強度的判斷造成干擾；另一方面，木質素發光波長與其紫外吸收光譜部分重疊，自吸收效應不僅會影響木質素熒光強度，甚至會改變其光譜形狀。第三，將木質素看作單一熒光團或相互作用可忽略的多熒光團系統，存在一定局限性。木質素多種熒光團隨機分布在三維網絡結構中，并非單獨存在。熒光團間可能存在的電荷及能量轉移會使電子能級結構發生重排，從而影響木質素整體的熒光光譜。上述文獻表明，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也與其聚集狀態密切相關，木質素敏感的微結構變化可能進一步放大熒光團間相互作用的影響。

2.2 木質素熒光團間聚集耦合態

前面介紹的研究工作多從單分子熒光團或熒光團間的簡單線性加和來理解木質素發光機制，但木質素子結構的差別不僅體現在化學結構上，還體現在相對方向、間隔距離等微結構的化學構象上，部分熒光團甚至在其微結構的空間限域作用下發生電子能級的耦合與重排。

其實早在1978 年，Lundquist 等就報道了真實木質素熒光團間的耦合現象。作者在研究云杉磨木木質素的基本熒光性質時發現，其熒光發射光譜和激發光譜的形狀幾乎不隨波長（小于400nm）的改變而變化，說明雖然木質素屬于多熒光團體系，但其熒光行為卻與只含有一個發色團的分子相似，見圖6(a)。推測木質素的熒光團間存在相互作用，形成了無輻射能量轉移系統，短波長熒光團部分能量通過該系統轉移到末端的長波長熒光團，從而表現出熒光能量的一體性。為了驗證木質素熒光團間的能量轉移行為，2003 年，Barsberg 等以典型的電子受體對苯醌為摻雜劑，研究了木質素在摻雜前后的熒光變化，見圖6(b)。結果顯示，對苯醌使木質素熒光急劇淬滅，結合二者的吸收光譜性質及其混合物的吸收光譜變化規律，作者認為該淬滅現象不是由對苯醌的自吸收效應導致的，而是木質素熒光團將其激發態能量轉移到對苯醌，由于對苯醌不發光而導致熒光淬滅。其次，由于對苯醌的吸收光譜僅與木質素熒光光譜部分重疊，但木質素熒光卻表現出整體下降趨勢，即木質素多熒光團熒光能量對外表現出能量的一體性，這間接證明木質素自身熒光團間也存在激發態能量轉移。最后，作者提出木質素的熒光團并非某個確定的化學結構，而是子結構通過分子間相互作用力誘導產生激發態電荷轉移后形成的準分子或激態復合物，換句話說，木質素的真實發光基團往往是其熒光團間的聚集耦合態。2015 年，Djikanovi? 等意外通過木質素寡聚物的熱力學性能研究驗證了木質素熒光團間的耦合行為。在對比不同比例松柏醇、阿魏酸和對羥基香豆酸三種單體脫氫耦合制備的木質素寡聚物的熒光變化時發現，不同寡聚物在堿性水溶液中具有形狀相似的可見光熒光發射，但熒光性質與聚合單體組成比例關聯性較小，特征不明顯。有趣的是，在與高分子熱力學性能的關聯對比中，發現不同寡聚物的最大熒光發射波長與其玻璃化轉變溫度表現出良好的關聯性，玻璃化轉變溫度越高，寡聚物的最大熒光發射波長越小。作者認為上述結果說明寡聚物熒光發射波長與其分子膠團的緊密度有關，玻璃化轉變溫度越高，膠團的緊密度越高，分子內聚集越嚴重，導致熒光發射波長紅移。該研究從寡聚物角度間接驗證了木質素熒光團間存在相互作用。2019年，Qiu等在木質素-羅丹明構建的熒光能量轉移系統中再次驗證了木質素熒光團間的能量轉移行為。在熒光能量轉移系統中[見圖6(c)～(e)]，供體熒光團的熒光壽命會因為發生非輻射能量轉移而明顯減小。結果顯示，雖然木質素的熒光光譜強度因發生能量轉移而整體降低，但只有與羅丹明吸收光譜重疊區域的木質素熒光團的熒光壽命明顯縮短，非重疊區域的熒光團壽命幾乎沒有變化，說明只有光譜重疊區域的木質素熒光團與羅丹明發生了非輻射能量轉移。作者認為非重疊區域的熒光團是通過木質素膠團內固有的能量轉移機制，將熒光能量間接地轉移到羅丹明，從而保持木質素熒光能量的一體性。

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

眾所周知，熒光團間的距離會影響其相互作用的強弱。木質素在提取過程中會產生羥基、羧基甚至磺酸基等親水基團，這使木質素大分子聚集行為對環境變化異常敏感，擁有大分子弱聚電解質特有的多尺度聚集行為。該復雜聚集行為為木質素熒光團間聚集耦合態的研究提供了更大的空間。2010年，Yan等報道了木質素磺酸鹽在水溶液中的濃度聚集熒光行為。結果顯示，當木質素磺酸鹽濃度低到0.001g/L時，其激發光譜形狀與紫外吸收光譜基本一致，最大激發波長在280nm處。隨著濃度的增加，280nm處的激發強度越來越弱，最大熒光激發波長向長波長移動，濃度大于0.2g/L后移動到350nm處，濃度大于0.5g/L后在400nm附近出現一個較強的肩峰，見圖7(a)。根據木質素磺酸鹽微結構的濃度聚集行為，作者認為濃度誘導的木質素聚集行為會使芳香環之間發生或增強耦合作用，從而導致激發光譜的紅移。同年，Deng等報道了堿木質素在四氫呋喃中的濃度聚集熒光行為。結果顯示，在一定濃度范圍內，雖然木質素熒光發射光譜的形狀和最大發射波長隨濃度增加不發生變化，但對應的熒光激發光譜則發生明顯紅移，見圖7(b)。根據分子激發態耦合理論，可以認為上述光譜紅移現象說明堿木質素苯丙烷單元間的聚集行為屬于J-聚集。之后，Deng等繼續采用該方案研究了不同來源木質素的濃度聚集熒光行為，發現了相似的激發光譜紅移現象，提出木質素苯丙烷單元間的J-聚集屬于木質素的固有性質。除上述聚集熒光淬滅機理外，近年來，聚集誘導發光和聚集空間共軛等熒光基礎理論發展迅速，為解釋木質素復雜的熒光行為提供了新思路。2016 年，Qiu 等基于木質素在混合溶劑中的自組裝行為，首次報道了木質素的分子內聚集誘導熒光增強現象。混合溶劑中良溶劑對木質素有很好的溶解性，非良溶劑則很難溶解木質素，通過增加非良溶劑的比例可以精確控制木質素的聚集狀態。作者先以磺化堿木質素為對象，研究了其在不同比例水/乙醇體系中的聚集熒光行為[見圖7(c)]，結果顯示，隨著不良溶劑乙醇含量的增加，木質素發生聚集，其熒光發射強度隨之增大，當乙醇體積分數達到90%時，熒光強度增大了15 倍左右。為了排除溶劑極性變化對木質素熒光的影響，作者又研究了磺化堿木質素在十六烷基三甲基溴化銨的靜電相互作用誘導下的聚集熒光行為[見圖7(d)]，結果顯示，隨著十六烷基三甲基溴化銨含量的增加，木質素熒光依然表現出典型的聚集熒光增強效應。然而，當實驗對象換為堿木質素時，其在混合溶劑中卻表現出聚集熒光淬滅現象。通過對堿木質素和磺化堿木質素聚集行為的深入分析對比，發現雖然從宏觀尺度看堿木質素可以很好地溶解在有機溶劑中，但由于缺乏靜電斥力，堿木質素膠團內部聚集嚴重，可以說堿木質素在有機溶劑中的初始聚集狀態與磺化堿木質素在90%（體積分數）乙醇中的相似。因此，隨著非良溶劑水的加入，剛性木質素熒光膠團間的聚集熒光行為與傳統的聚集熒光淬滅效應一致。隨后，作者將堿木質素的良溶劑換為堿溶液，引入靜電斥力，此時的堿木質素也表現出聚集熒光增強效應。結合木質素的化學結構和微結構特點，作者推斷木質素膠團內聚集導致的熒光團的分子內運動受限和羰基等富電子基團的聚集空間共軛效應是其聚集熒光增強效應的主要原因。

圖7 不同條件下木質素的熒光激發光譜和熒光光譜[43-44,46]

除上述兩種木質素外，2018年，Li等在酶解木質素體系中報道了聚集熒光增強效應。在研究酶解木質素在乙醇中的濃度聚集熒光行為時發現，當濃度達到0.02mg/mL時，酶解木質素的熒光強度由原先的線性增加轉為跳躍式增強，見圖8(a)。根據紫外吸收光譜的相應變化，作者猜測酶解木質素的濃度聚集熒光增強效應主要與木質素苯丙烷單元的J-聚集有關。作者繼續研究了酶解木質素在堿溶液/乙醇（良/非良）混合溶劑中的聚集熒光行為[見圖8(b)]，結果顯示酶解木質素表現出典型的聚集熒光增強效應。認為堿溶液會使酶解木質素的酚羥基等官能團發生電離，破壞木質素分子內原本的J-聚集，加入非良溶劑乙醇后，J-聚集效應再次增強，木質素熒光強度與J-聚集的相關性再次說明木質素苯丙烷單元間的J-聚集行為是誘導木質素聚集熒光增強的原因。2020 年，Qiu 等基于傳統的共軛發光和聚集誘導發光理論，分別從木質素膠團間/膠團內等不同聚集維度和溶劑極性、pH、離子強度、陽離子添加劑等不同溶劑環境角度，對木質素的聚集熒光行為和機理進行了較為系統的研究。結果表明，濃度誘導的木質素膠團間聚集不會形成激態締合物或因碰撞發生激發態能量耗散，對木質素熒光不產生實質影響，該現象被認為與松散木質素膠團所形成的空間位阻效應相關。常見的木質素濃度聚集熒光淬滅和熒光發射/激發光譜紅移現象主要由自吸收效應導致[見圖8(c)]，而且吸收光譜中波長的相對吸光度越大，對應的熒光淬滅濃度拐點越低，從而造成木質素最大熒光激發波長隨濃度增大向長波長移動的現象，見圖8(d)。因此，前期研究結果中根據濃度誘導木質素熒光光譜紅移得出的J-聚集結果需要進一步驗證。松散木質素膠團內聚集則會誘導熒光增強，與前期文獻結果一致，然而當膠團緊密度超過一定臨界值后，木質素會由聚集熒光增強型熒光團轉變為聚集熒光淬滅型熒光團，該現象可能與木質素松散膠團壓縮導致的空間位阻效應減弱有關。上述膠團間和膠團內聚集熒光規律與木質素在不同pH 和離子強度等溶劑環境顯示的復雜聚集熒光行為一致。

圖8 木質素在不同條件下的光譜圖[11,47]

即使與纖維素、半纖維素等通過共價鍵和分子間作用力固定在植物細胞壁中，原本木質素的熒光對其聚集狀態變化也具有響應性。2010 年，Donaldson 等采用共聚焦熒光顯微鏡研究了原本木質素隨木材壓縮程度變化的熒光行為，見圖9(a)、(b)。結果顯示，隨著壓縮程度的增強，原本木質素在紫外線激發下的熒光強度增大，且最大發射波長紅移，從紫色移動到藍色，說明原本木質素中的苯基丙烷單元會在擠壓下聚集形成更大的共軛體系。隨后，Donaldson 等采用時間相關單光子計數的瞬態熒光技術繼續研究了木材壓縮程度對原本木質素熒光壽命的影響。結果顯示，與正常木材相比，壓縮木材中的原本木質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別歸結于化學結構和分子環境兩方面原因。化學結構方面，壓縮木材中的原本木質素共軛程度大，擁有更長的C＝C/C―C鍵交替體系，這些平行取向的共軛熒光團隨著聚集程度的增強容易導致熒光壽命降低；分子環境方面，由于正常木材和壓縮木材生長環境的差異，細胞壁中與原本木質素結合的非熒光多糖結構不同，從而導致二者熒光壽命產生差別。2017年，Auxenfans等研究了蒸汽爆破預處理對木質素熒光的影響[見圖9(c)、(d)]，作者發現蒸汽爆破預處理會導致原本木質素熒光強度明顯降低，然而組分含量分析顯示熒光損失并非源于木質素含量的降低。作者認為高強度的預處理過程會導致木質素-芳基醚鍵含量降低，空間聚集結構遭到破壞而導致熒光降低，即木質素聚集程度與其熒光強度呈正相關。不過，由于細胞壁結構的限制，難以系統性地揭示木質素微結構聚集行為對其熒光的影響規律。

圖9 不同樣品的共聚焦熒光圖像和三維熒光圖[48,50]

在木質素微結構聚集行為研究和聚集誘導發光理論的基礎上，木質素熒光團間聚集耦合態的研究近年來取得了一些進展，從宏觀層面基本明確了木質素熒光團間的相互作用以及膠團間和膠團內兩種木質素基本聚集行為對其熒光的影響規律和作用機制。因此，單獨分析木質素熒光團的化學結構往往意義有限，木質素真實發光基團是這些熒光團間的聚集耦合態。在此基礎上，認為還有以下兩方面問題需要思考：第一，木質素存在多尺度復雜聚集行為，木質素聚集行為對熒光的影響規律需從不同角度和維度進一步完善，構建木質素物化性質-溶液行為-熒光變化的關聯模型；第二，木質素聚集熒光行為僅從宏觀層面反映了聚集行為變化對熒光團間耦合作用的影響規律，需進一步從微觀分子層面揭示木質素熒光團間的耦合機制，才可能取得更多突破。

3 結語

本文從木質素熒光團化學結構篩選和木質素熒光團間聚集耦合態研究兩方面總結并討論了木質素熒光機理的研究現狀，并對其中的一些問題進行了梳理凝練。在木質素熒光團化學結構篩選方面，相關研究主要通過對比模型物熒光性質或分析木質素定向處理前后的熒光變化規律來確定木質素熒光團結構，不同來源木質素往往篩選出的熒光團結構存在差異。這一現象盡管與木質素的異質性和復雜化學結構有關，但更主要是對木質素自身熒光性質研究不透徹，忽略了木質素熒光團間相互作用的影響。在木質素熒光團間聚集耦合態研究方面，相關研究主要通過調控木質素聚集狀態或添加熒光受體來分析木質素熒光機理。目前，雖然對木質素基本聚集熒光行為的作用規律和影響機制有了一些認識，但仍然需結合木質素的多尺度復雜聚集行為，從不同角度和維度完善二者的關聯模型，并進一步從分子層面揭示木質素熒光團間的耦合機制。

總的來說，木質素熒光的復雜性不光在于其化學結構，還應考慮木質素微結構聚集行為引起的激發態能量轉移。由于無法直接監測電子的躍遷過程，目前只能基于理論和經驗對木質素熒光機理進行推導和判斷。盡管研究人員已經做了一些工作，但木質素熒光的研究仍然處于起步階段，有待進一步拓展和深入，期待未來木質素熒光機理研究隨著觀測技術和研究理論的進步取得較大發展。除了熒光機理復雜外，木質素熒光量子效率低、應用領域范圍較窄也制約著這種天然熒光材料的應用前景。可喜的是，近年來木質素碳點研究發展迅速，可能是實現木質素熒光特性功能化的突破口。