多糖衍生的“土壤”：构建多维荧光材料，以实现多样化的创新应用

《Carbohydrate Polymers》：Polysaccharide-derived “soil”: Constructing multidimensional fluorescent materials to unlock diverse innovative applications

多糖荧光材料作为绿色功能材料，其荧光性能由多糖的分子结构、功能基团及复合策略调控。本文系统阐述了多糖作为荧光载体、基质和模板在制备0D-3D不同维度荧光材料中的核心作用，分析了其通过氢键、疏水作用及化学修饰实现荧光增强、发射波长调控及多功能集成机制。重点综述了纤维素、壳聚糖等天然多糖基荧光纳米材料、纤维、薄膜及凝胶的制备工艺，并探讨了其在生物医学成像、环境监测、智能纺织品和防伪标签等领域的应用潜力。当前面临材料稳定性不足、规模化生产困难及荧光效率受限等挑战，未来需通过多尺度结构设计、绿色合成技术及复合策略创新推动其可持续发展。

　　

王紫佳|刘福娟

中国苏州大学纺织与服装工程学院现代丝绸国家工程实验室，仁爱路199号，215123

摘要

作为自然界中最丰富的天然碳水化合物，多糖因其生物相容性、可修饰性、结构多样性和环保性，已成为开发具有绿色特性和优异荧光性能的荧光材料（FMs）的核心载体和关键原料。它们在推动荧光材料的绿色和功能性发展方面发挥着决定性作用。本文明确将基于多糖的荧光材料定义为以天然多糖为核心原料构建的荧光体系，并系统分析了多糖在荧光生成中的关键作用。这些材料可以通过簇触发发射（CTE）机制产生内在荧光，或者作为载体、增强剂和柔软模板，通过物理、化学、原位合成或混合方法引入荧光组分并调节荧光性质。随后，总结了不同形态维度的基于多糖的荧光材料的制备方法，并讨论了它们在环境监测、生物医学、信息防伪和智能纺织品等领域的应用潜力。最后，分析了基于多糖的荧光材料当前面临的挑战和未来发展趋势，旨在突出多糖在荧光材料领域的核心价值，并为促进绿色荧光材料的可持续发展提供理论参考和实践指导。

引言

荧光材料（FMs）凭借其独特的光学性能，在生物医学、材料科学、环境监测等多个领域发挥着重要作用。随着对荧光材料研究的深入，出现了新型荧光材料，包括荧光纳米材料（Shen等人，2022年）、发光金属有机框架（LMOFs）（Jia等人，2023年）和基于生物质的荧光材料。这些新材料在生物医学（Liu等人，2024年）、光电器件（Yu等人，2020b年）、防伪（Gao等人，2023年）、指纹检测（Ansari等人，2022年）、污染物检测（Jie等人，2023年）和智能纺织品（Yuan, Bao等人，2024年）等领域展现出广泛的应用前景。值得注意的是，传统的荧光材料（如稀土和有机染料）在满足绿色和可持续发展的迫切需求方面面临挑战，主要是由于不可再生原料、高毒性和较差的生物降解性等问题。与此同时，利用可再生生物质资源（如植物、动物、微生物及其代谢产物）的基于生物质的材料具有丰富的来源（Ganewatta等人，2021年）、易降解性（Zhou等人，2024年）、生物相容性（Bedian等人，2017年）、环保性（Zhai等人，2024年）和低成本（Behrooznia & Nourmohammadi，2024年）等固有优势，因此成为石油基产品的潜在替代品（Cywar等人，2022年；Zhang等人，2022a年；Zhang等人，2024c年）。根据原料类型，适合制备荧光材料的常见生物质材料主要包括多糖、脂质（Shinde等人，2023年）、蛋白质（Yuan & Solin，2022年；Zhuo等人，2023年）和木质素（Arcentales等人，2023年）。其中，多糖是由单糖单元通过糖苷键连接形成的高分子量碳水化合物，广泛存在于植物/种子（如纤维素、淀粉、果胶和甘露聚糖）、海洋生物（如壳聚糖（CS）、藻酸盐和琼脂糖）、动物（如肝素钠）和细菌（如黄原胶和卡拉胶）中。

作为自然界中最丰富的天然聚合物之一，多糖具有优异的生物降解性和无毒性和。与天然蛋白质和脂质相比，多糖不仅来源更广、成本更低，还具有独特的分子结构和官能团特性，使其能够直接参与荧光的产生和调节。它们既是荧光材料的核心原料，也是荧光性能的关键调节剂，为荧光材料的可持续发展开辟了一条不可替代的新路径。近年来，基于天然多糖的荧光材料研究逐渐受到广泛关注，这一研究热潮的核心驱动力是多糖在赋予材料荧光性能方面不可替代的关键作用。基于多糖的荧光材料是以多糖为原料的荧光功能材料。在它们的开发过程中，多糖不仅通过提供理想的化学环境和结构支持来实现荧光功能，其丰富的活性官能团网络（如羟基（–OH）和氨基（–NH₂）还可以通过氢键和疏水相互作用有效分散和固定发光分子（Li等人，2025a；Wang等人，2024a），这是确保荧光效率的关键前提。同时，荧光性能是材料发挥功能的关键“活性”成分。具体而言，多糖扮演多重角色：它们既是“来源”（结构基质、前体）（Bazazi等人，2023年），又是“载体”（基底、框架、粘合剂）（Al-Qahtani & Al-Senani，2024年；Hassine等人，2025年；Kou等人，2023年），还可以作为“优化剂”（增强剂）（Joseph等人，2025年；Sheng等人，2020年）和“成型剂”（柔软模板）（Wen等人，2017年）。它们独特的生物性质、可修饰性和丰富的结构多样性为开发新型荧光材料提供了广泛的设计可能性和实现途径。

目前，基于多糖的荧光材料的应用正从传统的静态荧光向动态荧光发展，从单一功能向多功能集成转变，这些变化旨在满足成像、传感、可视化和防伪应用日益增长的需求。图1展示了不同尺寸的基于多糖的荧光材料及其相应的应用。得益于其优异的加工能力，基于多糖的荧光材料可以制备成多种形式（Xue等人，2024年），包括纳米颗粒、纤维、薄膜、纸张和凝胶（Yao等人，2021a；Yi等人，2022年；Lu等人，2023年）。这种多样性为新型绿色荧光材料的发展提供了广阔的设计空间和实现路径。尽管近年来基于多糖的荧光材料研究取得了显著进展，但其实际应用仍面临多重挑战。多糖基质的固有脆性和强亲水性限制了其应用，而其荧光单元的稳定性和效率仍需进一步提高。目前，关于基于多糖的荧光材料的综述主要集中在智能荧光多糖（Novo & Edgar，2024年）、基于多糖的碳点（CDs）及其复合材料（Bazazi等人，2023年；Yao等人，2024年）上，其中基于纤维素的荧光材料（包括基于纤维素的CDs及其复合材料）的研究最为集中。现有报告主要强调应用方面的内容，如信息加密和防伪（Quan等人，2023年）、荧光传感器（Liu等人，2025年）和智能荧光传感器（Nawaz等人，2021年）。

需要强调的是，本文所讨论的“基于多糖的荧光材料”特指以多糖为原料构建的荧光体系。首先分析了这些材料的荧光生成机制，主要分为基于内在荧光和外在荧光两种类型。多糖的内在荧光来源于其聚集分子链的簇触发发射（CTE）机制，或者来源于它们作为碳点（CDs）的绿色前体的作用。相比之下，外在材料将多糖作为基质或框架，通过负载、复合或原位转化引入荧光组分。在这方面，参考了Bazazi等人（2023年）关于基于多糖的CDs的综述：他们的讨论涵盖了以多糖为碳源的CDs和以多糖为分散基质的复合体系。需要明确的是，CDs本质上是碳基纳米材料，而不是碳水化合物聚合物本身。然后，本文介绍了多糖在这些材料中的核心作用，包括作为内在荧光的原料、荧光组分的载体、荧光性能的优化剂和材料形态的成型剂。同时，还分析了多糖在调节荧光性能方面的优缺点。随后，重点介绍了不同形态维度的基于多糖的荧光材料的制备方法，包括准零维（0D）纳米颗粒、准一维（1D）纤维、二维（2D）薄膜/纸张和三维（3D）气凝胶/水凝胶，并探讨了它们在环境监测、生物医学、信息防伪和智能纺织品等领域的应用潜力。最后，分析了基于多糖的荧光材料当前面临的挑战和未来发展趋势，旨在为其进一步应用扩展提供参考，从而促进这种绿色功能材料的可持续发展。

部分摘录

荧光生成机制

作为一种光致发光（PL）现象，荧光本质上涉及电子跃迁和能量释放的过程。图2a展示了荧光系统中激发态的能量耗散途径，主要分为辐射跃迁（发光过程）和非辐射跃迁（能量损失过程）。非辐射途径包括内部转换（IC）、系间跃迁（ISC）和振动松弛（VR）等。

基于多糖的荧光材料的作用

适合制备基于多糖的荧光材料的多糖及其来源、性质和常见作用在表2中进行了总结。根据它们在水溶液中的电离性质，多糖可以分为中性（如纤维素、淀粉）、酸性（如果胶、藻酸盐）和碱性（如壳聚糖）类型。大多数多糖（如果胶、藻酸盐和淀粉）可以直接溶解在纯水中，因为它们的分子链富含亲水性基团。

基于多糖的多维荧光材料的制备

借鉴Zhang等人（2023a）提出的基于纤维素的荧光CDs复合材料的分类框架，根据宏观形态特征，基于多糖的荧光材料分为四种类型：0D纳米颗粒、1D纤维、2D薄膜/纸张和3D水凝胶/气凝胶。表4总结了基于多糖的荧光材料在尺寸和形态上的变化。

基于多糖的荧光材料的多样化应用

作为绿色、生物相容和可再生的天然聚合物，多糖已成为制备具有多种结构和功能的荧光材料的理想原料。这些基于多糖的荧光材料在生物医学、环境和食品安全监测、防伪、信息加密和智能纺织品等领域得到广泛应用。表5总结了代表性系统的关键信息，包括前体多糖、合成路线、激发/发射等。

挑战与未来展望

基于多糖的荧光材料由于其优异的生物相容性、内在的可持续性、低原材料成本和多功能的设计性，具有巨大的应用潜力。然而，在原材料异质性、工艺可扩展性、荧光稳定性、环境可持续性和生产成本以及应用安全性方面仍存在挑战。

结论

本综述概述了荧光材料的发光机制，强调了多糖的具体作用和多维基于多糖的荧光材料的制备策略。此外，还总结了它们在生物医学、环境监测、食品包装、信息加密和防伪以及智能纺织品等领域的最新应用进展。总之，作为新型功能材料，基于多糖的荧光材料正朝着高性能方向发展。

CRediT作者贡献声明

王紫佳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、概念化。刘福娟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了江苏省高等教育机构（PAPD）重点学术计划发展的支持。