木材纤维素基多级孔结构设计与传感性能构效关系研究

The utilization of wood cellulose is of significance to the development of forestry resources. In this project, we propose for the first time to use wood cellulose to construct a novel hierarchical porous paper matrix through self-assembly technique, which aims to improve the sensing performance of paper-based colorimetric biosensors. Specifically, negatively charged fibrillated cellulose fibers (FCFs), which are loaded with sensing material (gold nanoparticles/β-galactosidase (AuNPs/β-Gal) complex as a model), will be adopted to construct the hierarchical porous structure with cationic guar gum (CGG) to encapsulate AuNPs/β-Gal complexes. The influence of FCFs on loading amount and active sites of AuNPs/β-Gal complex will be studied. The factors affecting the construction and modulation of hierarchical porous structure will be claimed to illuminate the mechanism therein. The properties of sensing material will also be analyzed to show how they are influenced by hierarchical porous structure. Moreover, the mass transfer and accumulation of analytes (bacteria in this project) inside the matrix will be evaluated. Effort will also be put into the establishment of correlation between matrix structure and sensing performance. This work will guide the construction of cellulose-based hierarchical porous structure and the development of new efficient paper-based biosensors.

木材纤维素的功能化利用对林业资源开发意义重大，本项目拟利用木材纤维素自组装构建新型多级孔“纸”基材，以改善传统基材结构缺陷对比色生物传感器检测性能的制约。首先利用氧化/均质化处理木材纤维素制备负电性原纤化纤维素纤维，有效负载分散传感物质（金纳米颗粒/β-半乳糖苷酶配合物），进而与阳离子瓜尔胶自组装构筑多级孔结构，实现传感物质高效封装。研究原纤化纤维素纤维对传感物质的负载规律；探究多级孔结构自组装过程影响因素及相互作用机制，阐明多级孔结构调控机理；研究传感物质在多级孔封装前后结构性能变化规律，分析被检测物（细菌）在多级孔结构中的传质与富集机制，阐明基材多级孔结构与传感器检测性能的构效关系。本项目的研究成果将有助于丰富和发展纤维素基多级孔结构构筑理论，并为新型高效纸基生物传感器的开发提供理论依据。

纤维素纸是人类文明对木材纤维素有效利用的典型材料，可作为基材用于包括传感在内的诸多领域。然而，传统纤维素纸在制备传感器件时存在部分缺陷，限制其发展。鉴于此，本项目采用纤维素纳米纤维（即TEMPO氧化纤维素纳米纤维，TOCN）与阳离子瓜儿胶（CGG）在普通纤维素纸表面构筑多级孔结构，并用于纸基传感器开发。主要探究了基于纤维素纳米纤维的多级孔结构构筑及调控；传感物质的封装及性能影响；多级孔结构中的传质及其强化传感检测性能机制。结果表明：TOCN尺寸与羧基含量、固含量及冻融处理等对TOCN/CGG多级孔水凝胶的结构具有显著影响，随着TOCN羧基含量、冻融循环次数和固含量的增加，其结构更为致密，由此可实现多级孔结构的调控。通过传感物质的封装证实TOCN/CGG结构的变化具有重要影响，其中，利用冷冻干燥处理后的TOCN/CGG水凝胶涂布纸具有丰富的孔结构，其对D-丙氨酰-D-丙氨酸（DADA）修饰的金纳米颗粒（Au-DADA）具有良好的负载性能。相较于未经修饰的原纸与常压干燥的TOCN/CGG水凝胶涂布纸，冷冻干燥的TOCN/CGG水凝胶涂布纸具有更快的负载速度和更高的负载量。此外，冷冻干燥的TOCN/CGG水凝胶涂布纸的多级孔结构由于具有丰富的传质通道和作用位点，因而，其传质过程较为迅速，由其制成的传感器具有快速灵敏的传感性能，负载Au-DADA的新型纸基生物传感器能够有效检测金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，在检测时间15分钟内能够有效检测浓度仅为10 CFU/mL的细菌。本研究不仅能够为木材纤维素的多级孔结构设计提供理论与技术指导，而且能够为纤维素纸基材料（尤其是纸基传感器）的设计提供参考，对林业资源开发意义重大。