纤维素-碳点纳米复合物的构建及其荧光性质调控研究
1.1前言
碳量子点通常是指尺寸小于10nm的近球形荧光纳米颗粒，是2004年Xu等在分离和纯化单臂碳纳米管的过程中发现的新一类碳基纳米材料[1]。由于碳材料的低毒性和自身的纳米尺寸效应，一经发现，就引起人们极大的研究兴趣。相比与传统的半导体量子点和其他荧光染料，碳量子点不仅具有卓越的光学性能和水溶性，而且化学稳定性更高，具有良好的生物相容性和易于表面改性进行功能化优化等特点，在细胞成像[2]、生物标记[3]、环境检测[4]、药物载体[5]、光电转换[6]、 以及光催化[7]等领域表现出了良好的应用前景。
目前，有多种类型的碳源前驱体，包括石墨、活性碳、煤炭等碳材料；葡萄糖、柠檬酸、乙酸、乙醇等各种有机小分子；以及纤维素、壳聚糖、木质素这样的生物质高分子材料[8].而纤维素是自然界中分布最广的高分子材料，主要存在于植物纤维原料中。在当今世界资源的快速消耗和人们对环保日益重视的趋势下，注重开发这种价廉物丰、绿色可再生的纤维素资源具有重要的意义。用它做原材料制备荧光碳点，不仅可解决化石原料日益短缺的资源问题，进一步降低原料成本，实现可再生资源的循环利用；而且有效解决了传统荧光染料的光稳定性差的问题，有望替代传统荧光材料。
然而,目前有关生物质碳量子点的研究存在以下3个主要问题:（1）荧光量子产率偏低;（2）收率较低;（3）荧光发射波长局限于短波长的蓝色荧光发射,不适合规模化制备[9]。因此，挑选合适的生物质碳源、调整碳化及纳米化工艺，进而制备高荧光高碳量子点产率及完善更多的深层功能化应用，是现在发展过程的关键问题。为满足这些性质及完善纳米化工艺，作为天然纤维素的最小物理结构单元，纤维素纳米晶( CNC)应运成为了我们最好的选择。CNC 具有优异的物理、化学性能，如质轻、高结晶度、高强度、超精细结构、纳米级尺寸、可降解、生物相容及可再生等特点[10]。使用块体纤维素经过固体有机酸酸解，制备超高密度羧基修饰的纳米纤维。纳米纤维素表面有机酸再经过微波碳化及氮源掺杂，构建纳米纤维素-碳点复合结构。纳米纤维素-碳点复合结构既有CNC的生物相容性和分散性等等，又具有碳点的荧光稳定性，无毒性等，在光电、催化和生物医学等领域有巨大的应用前景。探寻制7
备高荧光量子产率、高均一性和单分散的纳米纤维素-碳点复合物的研究，对拓展碳量子的应用十分有意义。
1.2.1纳米纤维素
纳米纤维素是指一维尺寸在100nm以内的纤维素材料。纳米纤维素主要被分为纤维素纳米晶体/纳米晶须（ Cellulose Nanocrystalline,CNC;Cellulose Nanowhisker,CNW）、纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofiber,CNF)[11]。
纤维素纳米晶体长度约为几百纳米, 横截面宽度只有 10～20 nm, 长度与横截面宽度之比 (长径比 )为 1～ 100[12]。 纳米纤维素晶体的因为它高强度的性能和自身生物相容性、可降解的特点，被广泛运用到制备纳米复合材料的用途中去，也不断收到科学家和工业界的关注。它机械强度高(弹性模量约为 150 GPa)、结晶性高、亲水性强 、强度大, 高透明度，具有特殊的光学性质，低热膨胀系数，流变性能好。 因此对纳米纤维素晶须的研究是当前的一个热点。国际上最近十几年才开始系统地研究纳米纤维素晶须, 已经在制备 、表征 、表面修饰 、复合材料等功能特性应用方面做过许多尝试性研究[13]。
