文章创新点

       本文开发了一种荧光纤维素的生物合成方法。向木醋杆菌的培养基中添加携带三苯胺荧光基团的氨基葡萄糖衍生物(TPA-GlcN)，利用木醋杆菌合成纤维素的代谢途径实现葡萄糖及其衍生物TPA-GlcN的原位聚合。结果表明，通过生物合成获得的荧光纤维素(TPA-BC)的荧光强度和荧光稳定性均高于传统物理吸附法获得的荧光纤维素(TPA/BC)。值得注意的是，TPA-BC的荧光颜色和亮度可以通过改变TPA-GlcN的添加量来控制。此外，TPA-BC水解制成荧光墨水，展现了防伪能力。这种生物合成方法不仅为荧光纤维素材料的合成提供了新思路，也开辟了微生物介导的功能聚合物制备的新方向

文章背景

       近年来，荧光聚合物凭借其独特的性能和在多个领域的应用潜力备受关注。作为自然界储量最丰富的天然高分子，纤维素因具有良好的生物相容性、可降解性及高孔隙率，常被用作基底材料，通过功能化改性制备荧光纤维素。然而，当前主流的改性技术面临多重挑战。传统的浸泡吸附等物理改性方法虽操作简便，却难以克服荧光分子在纤维素基体中分布不均、结合力弱的问题，严重限制了其实际应用。溶解再生等化学改性方法虽可改善荧光稳定性，却受制于纤维素的天然的难溶解性，使得改性过程需依赖特殊溶剂，大幅增加了制备成本。因此，目前迫切需要开发兼具高品质和低成本全新的改性策略。

文章概述

       基于上述背景，青岛农业大学化学与药学院韩磊教授课题组合成了三苯胺修饰的葡萄糖胺TPA-GlcN，并将其添加到木醋杆菌的培养基中。TPA-GlcN分子中的葡萄糖基团使其被木醋杆菌视作普通葡萄糖，通过细胞膜转运系统送入纤维素合成代谢途径，与葡萄糖单体通过β-1,4-糖苷键聚合，最终实现荧光基团与纤维素骨架的原位共价偶联，成功制备出新型荧光纤维素材料TPA-BC。值得注意的是，通过改变TPA-GlcN的浓度可以调节TPA-BC的荧光颜色和强度(图1)。

图1 荧光强度和颜色可调的TPA-BC的合成示意图

本工作表征了TPA-BC的结构性质(图2)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示，TPA-BC 在3000‒3500 cm⁻¹处呈现羟基(O-H)伸缩振动的特征宽带，在1008 cm⁻¹ (C-O-C伸缩)、2920 cm⁻¹ (CH₂基团的C-H伸缩)处存在纤维素的典型吸收峰，同时在1653 cm⁻¹ 处出现代表CO-NH结构中C=O伸缩振动的新特征峰，直接证明TPA-GlcN分子成功共价接入纤维素骨架。X射线衍射(XRD)分析表明，TPA-BC在14.9°和22.9°处的衍射峰，分别对应纤维素I-β晶型的(110)和(200)晶面，说明荧光基团引入未破坏细菌纤维素的天然晶体结构。热重分析(TGA)结果显示，TPA-BC的热分解温度较普通细菌纤维素降低40 °C (图 3d)，研究人员指出，这是由于TPA基团的接入增加了材料无定形区比例，削弱了维系BC结构的氢键网络作用力。扫描电子显微镜(SEM)图像进一步显示，TPA-BC的孔径尺寸显著大于BC，从微观结构层面佐证了热稳定性下降的机理解释。

图2 TPA-BC的结构表征。TPA-BC和BC的(a) FTIR ATR，(b) XRD图谱，(c) TG，(d) DTG图谱；(e) BC的SEM图片；(f) TPA-BC的SEM图片

文章还表征了TPA-BC的荧光性质，将TPA-BC分为三组：低浓度组LC-TPA-BC(添加50 µg·mL^-1 TPA-GlcN)、中浓度组MC-TPA-BC (添加200 µg·mL^-1 TPA-GlcN)和高浓度组HC-TPA-BC (添加350 µg·mL^-1 TPA-GlcN)。激光共焦激光显微镜(CLSM)观测结果显示，LC-TPA-BC、MC-TPA-BC和HC-TPA-BC均呈现出明亮的荧光信号，且荧光强度随TPA-GlcN添加浓度的升高依次显著增强，而未改性的细菌纤维素则无荧光现象。荧光光谱分析进一步证实了这一结论(图3)。

为验证生物合成法的独特优势，采用传统物理吸附法制备了荧光纤维素TPA/BC，并与等量荧光剂用量的HC-TPA-BC进行对比。结果显示，TPA/BC的荧光强度显著低于HC-TPA-BC，更重要的是，经NaOH溶液处理去除残留培养基后，TPA/BC的荧光强度出现明显衰减(图3)。这一系列实验结果充分表明，生物合成法制备的TPA-BC在荧光强度和稳定性方面均显著优于传统物理吸附法，为荧光纤维素材料的制备开辟了更具前景的技术路径。

图3 TPA-BC的荧光性质表征。(a) BC、LC-TPA-BC、MC-TPA-BC、HC-TB-BC和物理吸收的TPA/BC在用氢氯化钠(2%，W/V)洗涤前后的CLSM图像和相应的荧光强度。(b) HC-TPA-BC、MC-TPA-BC、LC-TPA-BC和BC的FL光谱。(c)纯化处理前后TPA/BC的FL光谱

研究发现了TPA-GlcN的添加量会影响TPA-BC荧光颜色的现象，LC-TPA-BC表现出青色荧光，而MC-TPA-BC和HC-TPA-BC表现出蓝色荧光，这一现象与TPA-GlcN在水-DMSO 混合溶剂中形成聚集态时的颜色变化规律高度吻合(图4)。说明荧光变色机制源于分子堆积状态改变：当TPA-GlcN添加量较低时(LC-TPA-BC)，TPA基团在纤维素骨架上的分布较为稀疏，分子间距离较远，相互作用较弱，此时荧光主要由独立的TPA单体发射。随着添加量升高(MC/HC-TPA-BC)，TPA分子在纤维素链上的负载量增加，分子间距缩短并形成紧密堆积，进而诱导激基缔合物的生成。这种分子聚集状态的转变促使荧光发射从单体特征峰向激基缔合物特征峰迁移，最终导致TPA-BC荧光颜色的显著改变。

图4 TPA-BC的变色特性。(a) BC、LC-TPA-BC、MC-TPA-BC、HC-TB-BC在明场和365 nm紫外光下的图像。(b) 在365 nm紫外光下，TPA-GlcN (10^-5 mol/L)溶解在不同含水量的DMSO-H₂O混合溶剂中的图像

文章展示了TPA-BC在防伪方面的潜力。当TPA-GlcN引入细菌纤维素后，其分子结构通过竞争性占据氢键位点，破坏了维系BC结构的氢键网络，导致材料机械强度下降、结构疏松。基于这一特性，研究团队将TPA-BC水解，以制备荧光墨水，水解液仍保留了荧光性质。该墨水在纸上书写的字符(字母"A")在可见光下几乎不可见，但在365 nm紫外光照射下呈现明亮荧光。值得关注的是，经300天长期储存后，荧光强度未出现明显衰减(图5)，展现出优异的储存稳定性。

图5 TPA-BC的防伪潜力。(a) BC和TPA-BC的应力-应变曲线；用TPA-BC制备的荧光墨水书写的字符在日光 (b) 和紫外线(c)下的图片；(d) 保存300天后荧光下的手写字符图片。

      上述工作即将以快报形式在Chinese Journal of Polymer Science印刷出版。韩磊教授团队的张豪杰联培硕士研究生、常玉杰硕士研究生是该论文的共同第一作者，青岛农业大学的韩磊教授、烟台大学的杜文晓副教授、康复大学的杨大鹏教授为共同通信联系人。

原文信息：

A Biosynthesis method of color-tunable fluorescent cellulose via in situ polymerization using microbial systems.