本研究的目的是利用稀水悬浮液中分离出的纳米纤维素纤维和木质素，通过逐层自组装方法构建合成植物细胞壁组织。 采用石英晶体微天平和原子力显微镜等表面测量技术，监测聚合物-聚合物纳米复合材料的形成过程。
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本文内容
摘要
摘要
木材材料由植物细胞壁构成，其中包含由多糖和木质素等结构聚合物组成的分层次生细胞壁。利用逐层（LbL）自组装技术，通过将带相反电荷的分子从水溶液中交替沉积，构建出由木质素和氧化纳米纤维素（NFC）分离组分组成的自支撑复合薄膜。为了促进这些带负电聚合物的组装，采用带正电的聚电解质聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）作为连接层，从而构建出简化的模型细胞壁。采用石英晶体微天平结合耗散监测（QCM-D）和椭圆偏振仪对逐层吸附过程进行了定量研究。结果表明，每吸附一层的层质量/厚度随总层数的增加而增加。利用原子力显微镜（AFM）研究了吸附层的表面覆盖率。在整个沉积循环中，木质素在表面实现了完全覆盖；而NFC的表面覆盖率则随着层数的增加而提高。该吸附过程在醋酸纤维素（CA）基底上进行了250个循环（共500个双层）。当随后将CA基底溶解于丙酮中时，获得了透明的自支撑LbL自组装纳米复合薄膜。对断裂截面的扫描电子显微镜（SEM）观察显示其具有片层结构，针对本研究中使用的两种不同类型的木质素，每个吸附循环（PDDA-木质素-PDDA-NFC）的厚度均约为17 nm。数据表明，该薄膜具有高度可控的结构，其中纳米纤维素与木质素在纳米尺度上实现了空间上的有序沉积（即聚合物-聚合物纳米复合材料），类似于天然细胞壁中的结构特征。
引言
人们越来越关注从生物质中提取额外的化学品和燃料，因为植物在光合作用过程中固定的碳属于当前的 CO2 循环的一部分。所固定的碳中大部分（42-44%）以纤维素的形式存在，纤维素是一种由 β 1-4 连接的葡萄吡喃糖单元组成的聚合物；经水解后，葡萄糖可作为发酵生产醇类燃料的主要反应物。然而，木本植物的细胞壁结构经过数千年进化，形成了在自然环境中难以降解的材料1。这种稳定性延续到了能源作物等木质材料的工业加工过程中，使得纤维素难以被接触、分离并分解为葡萄糖。对次生细胞壁超微结构的进一步观察表明，它是一种聚合物纳米复合材料，由层状的近晶型纤维素微纤丝嵌入无定形的木质素和半纤维素基质中构成2-4。纵向排列的纤维素微纤丝直径约为 2-5 nm，它们与其他杂多糖聚集形成更大的纤丝束结构5。这些纤丝束嵌入由苯基丙醇单元组成的无定形聚合物——木质素-半纤维素复合体中，并通过某些连接与葡萄糖醛酸木聚糖等其他杂多糖相连4。此外，该结构在整个木质化的次生细胞壁中进一步组织成层状或片层结构6-8。由于纤维素以纤丝形式存在于细胞壁中并被木质素包埋，酶类（如纤维素酶）很难接触到纤维素。真正实现生物基燃料和可再生化学品平台的关键在于开发出经济可行的工艺，以实现天然状态下纤维素的糖化。
新的化学和成像技术正在推动纤维素糖化机制的研究9,10。大量研究集中于使....
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方案
1. 纳米纤化纤维素的制备55
- 使用一个3 L的三颈烧瓶，加入2 L去离子水，并装配机械搅拌器和pH探针。
- 向烧瓶中加入脱木质素硫酸盐浆（88%白度，20 g，1% (w/v，以干重计)）、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）（0.313 g，0.1 mmol/g纤维素）和溴化钠（NaBr，2.0 g，1 mmol/g纤维素）。
- 用机械搅拌器搅拌浆料，直至纤维完全分散，反应体系中无可见团聚物。
注意：可在将浆料加入3 L烧瓶前，先将其在水中均质处理，以促进分散。
- 用机械搅拌器搅拌浆料，直至纤维完全分散，反应体系中无可见团聚物。
- 通过缓慢加入次氯酸钠（NaClO）12%溶液（51.4 ml，5 mmol/g纤维素）启动氧化反应。
注意：为保证反应过程的一致性，建议使用注射泵以1.5 ml/min的速率加入NaClO溶液。 - 将另一注射器装入氢氧化钠（NaOH，0.5 M），手动逐滴加入碱液，以维持反应体系pH在10 ± 0.2范围内。
- 持续监测pH随时间的变化；当纤维素上所有可及的羟基均被氧化后，pH将不再下降，表明反应完成。
- 加入过量乙醇（EtOH）以消耗残留的NaClO。约6 ml无水乙醇（200 proof）可完全消耗初始的100 mmol NaClO。
- 将氧化后的纤维抽滤，并用纯化水充分洗涤以去除试剂，直至洗出液呈中性。可使用篮式....
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结果
结构化木质聚合物薄膜制备的QCM-D分析
通过QCM-D在涉及两种不同类型木质素的两个不同实验中，实时监测了木质素、NFC和PDDA的逐层（LbL）吸附过程。该分析方法对分子吸附到石英晶体表面时引起的频率变化极为敏感。图1详细描述了一个沉积循环中QCM-D的响应，该循环包含两个双层结构（PDDA:HMWL和PDDA:NC）。数据表示第七次泛音的归一化频率变化（ΔF）和耗散变化（ΔD）（仪器检测基频以及第3至13次奇次谐波泛音）。首先使用pH为10.5的超纯水（称为缓冲液）建立基线，随后引入阳离子聚合物PDDA。该聚合物的引入（步骤1）伴随着ΔF的下降以及相应的ΔD上升。这一响应归因于PDDA在金包覆石英基底上的吸附以及与振动晶体接触的液体本体效应的变化。步骤1之后进行缓冲液冲洗（步骤2），以去除过量或未结合的聚合物，并消除聚合物溶液本体效应对频率和耗散信号的影响。因此，每次聚合物吸附步骤后均进行冲洗。步骤2结束后，ΔF和ΔD相对于基线的净变化源于PDDA的不可逆吸附。在步骤3中引入木质素溶液，导致ΔF下降和相应的ΔD上升。步骤4为冲洗步骤，引起ΔF轻微上.......
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讨论
纳米纤维素的制备
在纳米纤维素的制备过程中，纸浆纤维的有效氧化是实现简便纤化所必需的。氧化过程由可用的次氯酸钠控制，应根据纤维素的量分次缓慢加入已知量的次氯酸钠。氧化不充分的原因之一是次氯酸钠溶液长期储存所致。氧化效率降低可在反应过程中观察到：在成功氧化过程中，纸浆悬浮液应在反应中途变为浅黄色。若未出现该现象，则纤维中的羧酸含量通常低于可实现易纤化的水平。
当氧化纤维的羧基含量超过每克纤维素1.0 mmol时，可通过多种不同的机械处理方法实现其纤丝化，所得纳米纤维素颗粒尺寸相似。短时间使用高功率超声探头进行超声处理，或采用微流体均质器均质化，均可作为氧化纤维搅拌处理的替代方法。前者适用于制备200 ml或更少体积的纤维素纳米纤丝（NFC）悬浮液，而后者则可用于制备数升体积的纳米纤维素悬浮液。以往利用原子力显微镜进行的实验表明，这些纤丝的长度为530 ± 330 nm，厚度为1.4 ± 0.7 nm60。
QCM-D 粘弹性建模
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作主要由弗吉尼亚理工学院暨州立大学（Virginia Tech）关键技术和应用科学研究所（ICTAS）的博士学者项目、弗吉尼亚理工研究生院支持的可持续纳米技术项目，以及美国农业部国家食品与农业研究所（NIFA）资助项目（资助号：2010-65504-20429）提供支持。作者还感谢Rick Caudill、Stephen McCartney和W. Travis Church对本研究的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 硫酸盐纸浆 | Weyerhaeuser | 捐赠 | 白度为88% |
| 有机溶剂木质素 | Sigma Aldrich | 371017 | 已停产 |
| 硬木磨木木质素 | 参见论文中参考文献 | ||
| 聚二烯丙基二甲基氯化铵 | Sigma Aldrich | 409022 | Mn = 7.2 x 104, Mw = 2.4 x 105 |
| 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO） | Sigma Aldrich | 214000 | 催化伯醇氧化为醛，纯度98%，分子量为156.25 g/mol |
| 溴化钠 | Sigma Aldrich | S4547 | 纯度 ≥99.0%，分子量102.89 |
| 次氯酸钠 | Sigma Aldrich | 425044 | 试剂级，有效氯含量10~15%，分子量74.44 g/mol |
| 氢氧化钠 | VWR | BDH7221-4 | 0.5 N 水溶液，密度1.02 g/ml，分子量40 g/mol |
| 氢氧化钠 | Acros Organics | AC12419-0010 | 0.1 N 水溶液，比重1.0 g/ml，分子量40 g/mol |
| 氢氧化铵 | Acros Organics | AC39003-0025 | 水中25%溶液，pH 13.6，密度0.89，分子量35.04 g/mol |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific | H325-100 | 30.0~32.0% 符合ACS标准，pH 3.3，密度1.11 |
| 云母片 | TED Pella | NC9655733 | Pelco，V5级，10 x 40 mm，23 mm T，气泡和空气最少，非常洁净 |
| 硫酸 | Fisher Scientific | A300-212 | 95.0~98.0 w/w%，符合ACS Plus标准，分子量98.08 g/mol |
| 醋酸纤维素 | McMaster Carr | 8564K44 | 取代度2.5 |
| 乙醇 | Decon Laboratories | 04-355-223 | 200 proof（100%），符合美国药典标准 |
| [header] | |||
| 丙酮 | Fisher Scientific | A18-4 | 纯度 ≥99.5%，符合ACS试剂级标准，密度0.79 g/ml，分子量58.08 g/mol |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 552226 | 泵22推注/抽取，配备标准注射器夹持器，流速范围0.002 μl/hr~55.1 ml/min |
| Milli-Q 水纯化系统 | EMD Millipore | D3-UV | Direct-Q，带紫外功能，水电导率为18.5 MΩ·cm，配备20 L储水箱 |
| pH计 | Mettler Toledo | SeverMulti | |
| 天平 | Mettler Toledo | AB135-S | 精度0.1 mg |
| 原子力显微镜 | Asylum Research | MFP-3D，Olympic荧光显微镜载物台 | |
| 椭圆偏振仪 | Beaglehole Instruments | ||
| 纤维离心机 | 未知 | 篮式离心机 | |
| Waring搅拌器 | Waring | 商用 | |
| 超声波处理器 | Sonics | Sonics 750 W，带隔音罩 | |
| 带耗散监测的石英晶体微天平（QCM-D） | Q-Sense Inc. | E4 | 测量5 MHz基频，并监测3~13的奇数次泛音/谐波，使用镀金压电石英晶体 |
| 自动浸渍臂 | Lynxmotion |
参考文献
- Fratzl, P., et al. On the role of interface polymers for the mechanics of natural polymeric composites. Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 5575-5579 (2004).
- Terashima, N., Fukushima, K., He, L. F., Takabe, K. Forage cell wall structure and digestibity. Amer....
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重印与许可
