提到發(fā)光材料，人們首先想到的，往往是實驗室高溫?zé)Y(jié)得到的稀土熒光粉，或是石油基合成高分子材料。北京林業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊另辟蹊徑，利用真菌活體的“自行組裝”實現(xiàn)了發(fā)光材料的環(huán)保制備。近日，該校生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院崔寶凱教授、司靜教授團(tuán)隊聯(lián)合材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院彭鋒教授、呂保中副教授團(tuán)隊，提出“生物生長自組裝”策略：以白腐真菌絨毛栓孔菌（Trametes pubescens）的菌絲體（MTP）為基質(zhì)，通過一步培養(yǎng)，制備出具備室溫磷光（RTP）特性的全色發(fā)光菌絲體材料。

RTP材料憑借長壽命、大斯托克斯位移、高激子利用率等優(yōu)異特性，在信息加密、防偽、生物成像等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大應(yīng)用潛力。但現(xiàn)有材料體系仍存在明顯短板：傳統(tǒng)無機(jī)RTP材料高度依賴稀土或重金屬資源，面臨資源稀缺、制備成本高、合成條件苛刻、存在潛在環(huán)境毒性等問題；有機(jī)RTP材料雖可規(guī)避上述短板，卻大多需要石油衍生原料，制備工藝繁瑣，可持續(xù)性差。利用纖維素、木質(zhì)素等天然生物質(zhì)基質(zhì)制備RTP材料已成為當(dāng)前可持續(xù)材料領(lǐng)域的重要研究方向。然而，為提升RTP性能，仍需對生物質(zhì)原料開展化學(xué)修飾、拆解重組等復(fù)雜處理。如何開發(fā)真正綠色、經(jīng)濟(jì)、可規(guī)模化的制備技術(shù)，一直是該領(lǐng)域亟待破解的難題。

受自然界生物發(fā)光現(xiàn)象啟發(fā)，研究團(tuán)隊創(chuàng)新提出了生物生長自組裝策略：在液體培養(yǎng)基中加入水溶性磺酸基發(fā)色團(tuán)，真菌菌絲在生長過程中將發(fā)色團(tuán)如同“攝入營養(yǎng)”一般吸收進(jìn)菌絲球內(nèi)部（圖1）。菌絲體自身富含多糖、蛋白質(zhì)等天然高分子，為發(fā)色團(tuán)構(gòu)筑剛性三維限域環(huán)境，同時形成致密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，有效抑制發(fā)色團(tuán)非輻射躍遷過程，穩(wěn)定三線態(tài)激子，最終實現(xiàn)高效RTP發(fā)射。

圖1 生物生長自組裝策略示意圖

生物生長自組裝過程條件溫和簡單：在28°C避光搖瓶共培養(yǎng)7天，發(fā)色團(tuán)即可被活體菌絲原位復(fù)合，吸收率可達(dá)53%–97%。值得關(guān)注的是，磺酸類發(fā)色團(tuán)還能充當(dāng)“營養(yǎng)劑”，促進(jìn)菌絲生長、胞外多糖分泌，二者呈現(xiàn)協(xié)同生長效應(yīng)；加入發(fā)色團(tuán)后，菌絲球的宏觀、微觀形貌均未發(fā)生明顯改變。

通過調(diào)控發(fā)色團(tuán)的π共軛程度，團(tuán)隊成功實現(xiàn)了從藍(lán)色到紅色的全色余輝可調(diào)：選取2-氨基-1,4-苯二磺酸（BZS）、4,4′-聯(lián)苯二磺酸（BPS）、1,5-萘二磺酸（NLS）、1,8-萘二甲酸酐-4-磺酸（NAS）、1-芘磺酸（PYS）五種發(fā)色團(tuán)，制備得到系列菌絲體RTP材料，余輝顏色依次呈現(xiàn)藍(lán)、青、綠、黃、紅，磷光壽命范圍為200–910ms，其中NLS–MTP的綠色余輝可持續(xù)超過8s（圖2）。該材料還表現(xiàn)出激發(fā)波長依賴的變色磷光特性，為多維信息防偽提供了新的技術(shù)途徑。

圖2 菌絲體RTP材料的光物理特性

機(jī)制解析表明，菌絲體內(nèi)的蛋白質(zhì)是發(fā)色團(tuán)的關(guān)鍵“錨定位點”。分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示，磺酸基發(fā)色團(tuán)與蛋白質(zhì)（以聚丙氨酸分子為模型）之間平均可形成9.45個穩(wěn)定氫鍵；多糖（以葡聚糖分子為模型）則通過大量弱氫鍵進(jìn)一步增強(qiáng)基質(zhì)環(huán)境剛性，二者協(xié)同作用，抑制發(fā)色團(tuán)分子振動。系列對照實驗證明，只有在菌絲生長過程中動態(tài)形成的完整三維活體網(wǎng)絡(luò)，才能夠?qū)崿F(xiàn)高效分子限域；若將發(fā)色團(tuán)簡單吸附到已成型的菌絲球表面，或是高壓滅菌破壞菌絲結(jié)構(gòu)后再負(fù)載發(fā)色團(tuán)，材料磷光性能均會大幅衰減甚至消失。

這種“長”出來的發(fā)光材料兼具可加工、可循環(huán)、可降解多重優(yōu)勢。菌絲球勻漿后，可通過規(guī)模化澆鑄工藝制成“蘑菇紙”；材料廢棄后剪碎，加入熱水重新分散，即可回收再加工。漿料本身黏附性能優(yōu)異，既可以澆鑄成花、貓、蘑菇等多種造型發(fā)光裝飾物；也可以制備全色“彩紙”，以水作為發(fā)光淬滅墨水，通過熱恢復(fù)特性可實現(xiàn)重復(fù)使用的防偽書寫。在環(huán)境條件下放置35天，該材料磷光強(qiáng)度幾乎無衰減，穩(wěn)定性良好（圖3）。

圖3 菌絲體RTP材料的潛在應(yīng)用

環(huán)境友好是本體系最突出的亮點。土壤埋藏實驗表明，菌絲體RTP材料約35天即可被土壤微生物完全降解，降解效率遠(yuǎn)高于聚氯乙烯塑料。更具吸引力的是，降解產(chǎn)物不僅環(huán)保無毒，還能夠顯著提高土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等肥力指標(biāo)；種植小白菜的對照實驗顯示，實驗組小白菜株高、葉寬等生長指標(biāo)顯著優(yōu)于對照組，真正實現(xiàn)了“用后歸土、沃土促生”。生命周期評估結(jié)果進(jìn)一步證實，該材料各類環(huán)境影響指標(biāo)均顯著優(yōu)于代表性有機(jī)、無機(jī)磷光對照材料。

該研究為開發(fā)綠色、可再生、可降解的RTP材料提供了全新策略，也為拓展真菌在功能光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑。相關(guān)成果以“Biological growth self-assembly of mycelia enables eco-friendly full-color room-temperature phosphorescence materials via internalized confinement”為題，發(fā)表在綜合性期刊國家科學(xué)評論National Science Review（一區(qū)Top，IF=18.102）。

北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院司靜教授、崔寶凱教授，材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院呂保中副教授為本文共同通訊作者；北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院博士生李欣為論文第一作者。研究還得到北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院彭鋒教授、中國石化（北京）化工研究院李鵬宇老師、北京大學(xué)分析測試中心陳明星老師的支持與幫助。研究得到了國家自然科學(xué)基金（32470002、32270016、32325001、22308028）、北京市科技新星計劃（20230484322、20250484946）、中央高校優(yōu)秀青年團(tuán)隊項目（QNTD202509）資助。

來源：易菇網(wǎng)