【科研进展】广西大学何辉课题组近期工作总结

个人简介

何辉，广西大学轻工与食品工程学院，助理教授，博士，硕士生导师。2016年12月于中山大学获得博士学位。

研究方向

何辉课题组主要基于制浆造纸技术平台，从事生物质基功能材料的结构设计、制备及其应用研究。重点围绕生物质基吸附分离功能材料、纤维素基多功能传感器、纳米纤维创口敷料方向开展研究工作。近年来在Chem. Eng. J., Green Chem., J. Hazard. Mater., Sensor. Actuat. B-Chem., Carbohyd. Polym., J. Mater. Chem. C, Langmuir, J. Agr. Food. Chem.等国际学术期刊上发表SCI论文30余篇，授权发明专利20余件。

代表性论文简介

1.纤维素基超支化吸附材料及其对Cr(Ⅵ)的吸附机理研究

针对水体中低浓度Cr(VI)难以快速高效去除的难题，以生物质为基体，设计生物质基吸附材料。为了达到吸附材料对重金属离子的快速高效去除，其关键是如何有效的提高材料的功能基团密度和重金属离子在材料内的扩散传质效率。基于此，何辉课题组报道了一种具有高氨基密度的纤维素基超支化吸附材料，通过在纤维素表面构筑高密度的氨基和超支化结构，实现了对Cr(VI)的快速高效去除。通过结构设计，该文以微晶纤维素（MCC）为基体，采用固液一步快速转化策略，设计并制备了具有高氨基密度和超支化聚胺结构的纤维素基吸附材料，通过协同调控材料的支化结构和氨基密度并探究了端氨基超支化聚胺支化度来调控材料对Cr(VI)的吸附速率和吸附性能去除率的影响，进而实现该纤维基吸附材料对低浓度（1.02 mg∙L^-1）Cr(VI)的快速（2 min）完全去除。基于木质纤维的非均相反应体系，一步快速交联的策略提高了反应体系中功能试剂的转化率，为材料的结构设计提供了便捷的途径。同时通过提高纤维素基吸附材料的功能基团密度和重金属离子在材料内的扩散传质效率，可有效的提高材料对水体中低浓度Cr(VI)的去除率和吸附速率。

Fei Xue, Hui He*, Hang Zhou, Zongyan Quan, Zhiping Chen, Qi Wu, Hongxiang Zhu*, Shuangfei Wang. Structural design of a cellulose-based hyperbranched adsorbent for the rapid and complete removal of Cr(VI) from water [J], Chemical Engineering Journal, 2021, 418, 128037-128048.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128037

2.两性型纤维素基吸附材料及其对低浓度多重金属离子的吸附机理研究

水体中高浓度重金属离子可以通过调节溶液pH值或者加入沉淀剂等方法去除至较低浓度，但受化学平衡限度的影响，处理后水体中重金属离子的浓度依旧高于国家饮用水标准（GB 5749-2006），并且水体中往往同时存在多种重金属离子。针对低浓度多重金属离子难以同步快速高效去除的难题，设计新型的具有多吸附位点的吸附材料成为研究热点。基于此，何辉课题组以微晶纤维素为基体，二乙烯三胺五乙酸修饰的聚乙烯亚胺为功能试剂，采用一步快速交联法，制备了具有高密度氨基和羧基功能基团的两性型纤维素基吸附剂，实现了纤维素基体上多功能基团的平衡调控，所制备的吸附材料对低浓度（2000 ppb）的Cr(VI)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)具有很好的吸附性能，其去除率均高于99.9%，去除后残留的重金属离子浓度达到国家饮用水标准（GB 5749-2006）对其浓度的要求。通过表征材料吸附前后的化学结构变化规律，结合DFT模拟计算，揭示了材料对多重金属离子的吸附机制。

Hang Zhou, Hongxiang Zhu, Fei Xue, Hui He*, Shuangfei Wang, Cellulose-based amphoteric adsorbent for the complete removal of low-level heavy metal ions via a specialization and cooperation mechanism [J], Chemical Engineering Journal, 2020, 385, 123879-12390.（高被引论文）

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123879

3.两性型仿生纤维吸附材料及其对低浓度多重金属离子的吸附性能研究

受到蜘蛛吐丝原理的启发，何辉课题组以羧基化纳米纤维素（CNF）的骨架，分别以氧化石墨烯和聚乙烯亚胺为外层和内层，模拟蜘蛛吐丝的方法仿制成纤维丝，再采用后交联技术，制备了两性型仿生纤维吸附材料。该策略能保持纤维高溶胀性能的同时，实现材料氨基和羧基的平衡调控，且试剂的转化率较高，利于调控各功能基团的密度。所制备的两性型仿生纤维吸附材料可在40 min内快速高效去除始浓度为1000 ppb的 Cd(II)、Cr(VI)、Cu(II)和Pb(II)，处理后残留的重金属离子浓度达到美国环保总署（US EPA）安全饮用水标准对其浓度的要求。由于两性仿生纤维吸附材料具有较高的功能基团密度和高溶胀率，提高了重金属离子在材料内的扩散传质效率，进而实现了对低浓度多重金属离子的同步快速高效去除。

Hang Zhou, Hongxiang Zhu, Xiaoyu Shi, Lei Wang, Hui He*, Shuangfei Wang. Design of amphoteric bionic fibers by imitating spider silk for rapid and complete removal of low-level multiple heavy metal ions [J], Chemical Engineering Journal, 2021, 412, 128670-128679.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128670

4.智能响应型纳米纤维基CO2吸附材料的制备及其超低温再生机制研究

CO₂吸附材料在碳减排和密闭空间生命保障系统的CO₂清除中具有重要作用。固态胺吸附材料因其具有高CO₂吸附容量和对低浓度CO₂具有较强的吸附能力而备受关注。在保持传统固态胺吸附材料高CO₂吸附容量的前提下，如何有效的降低材料的再生温度是当前的研究热点。基于此，何辉课题组以纳米纤维为基体，采用接枝共聚的方法制备温敏智能纳米纤维，再以此为基体骨架，以具有高氨基密度的超支化聚胺为功能试剂，采用一步快速交联的方法，制备具有温敏响应性的温敏智能纤维基超支化吸附材料。该材料的CO₂吸附容量为6.23 mmol/g，且在60 ℃条件下的10次再生率为98.7%，说明材料具有较高的CO₂吸附容量和较低的再生温度。研究结果表明在材料中引入温敏性的策略，可有效的降低了材料的再生温度，为低温再生型CO₂吸附材料的结构设计提供了新思路。

Xiaoyu Shi, Wei Lu, Yichun Xue, Hang Zhou, Fei Xue, Hui He*, Songlin Wang, Shuangfei Wang. Design of thermo-responsive hyperbranched nanofibre-based adsorbent with high CO₂ adsorption capacity and analysis of its ultra-low temperature regeneration mechanism [J], Chemical Engineering Journal, 2021, doi.org/10.1016/j.cej.2021.130362.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130362.

Hui He*, Hanying Tang, Xingjuan Chen, Xudong Hou, Xiaochong Zhou, Hong Chen, Shanyan Wu, Shuangfei Wang*. Structure design of low-temperature regenerative hyperbranched polyamine adsorbent for CO₂ capture [J], Langmuir, 2018, 34, 14169-14179.

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b02493

Hui He, Linzhou Zhuang, Shuixia Chen*, Hucheng Liu, Qihan Li. Structure design of hyperbranched polyamine adsorbent for CO₂ adsorption [J], Green Chemistry. 2016, 18, 5859-5869.

https://doi.org/10.1039/C6GC01416J

5.纳米纤维基比率荧光传感器及其对食品新鲜度的检测性能研究

固态荧光传感器因其灵敏度高、操作简单、选择性好且可用于原位检测等优点而受到广泛关注。对于纳米纤维基比率荧光传感器，浸渍法制备的荧光传感器，其染料易浸出，对检测环境造成二次污染。为了解决这些问题，何辉课题组以来源广泛、化学结构稳定且易于改性的纤维素纳米纤维为骨架，分别将异硫氰酸荧光素和原卟啉IX接枝在纳米纤维表面，制备纳米纤维基的指示剂和参照基底，再与纳米纤维共混制备生物胺刺激响应型的纳米纤维基比率荧光传感器。纳米纤维的纳米尺度特性提高了荧光传感器的透气性，解决了化学修饰导致纤维素膜透气性降低的缺点，使传感器对生物胺具有优异的响应性能，随着生物胺浓度的增加，荧光传感器呈现出由红色到黄绿色的明显变化，根据Lab和RGB颜色模型分析，传感器具有较高的色彩稳定性和检测灵敏度，其对生物胺的检测限低至1 ppm。将传感器应用于监测食品新鲜度，其结果与TVBN和菌落总数的变化规律一致，具有较高的检测精度。该传感器在食品安全领域具有广阔的应用前景。

Zongyan Quan, Hui He*, Hang Zhou, Yuting Liang, Lei Wang, Songya Tian, Hongxiang Zhu*, Shuangfei Wang*. Designing an intelligent nanofiber ratiometric fluorescent sensor sensitive to biogenic amines for detecting the freshness of shrimp and pork [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 333, 129535-12953546.

https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129535

6.双功能纳米纤维基仿生传感器的制备及其对Ag⁺和乙酰胆碱酯酶的检测性能

重金属离子的快速识别和定量检测对重金属污染的处理处置具有重要意义。纳米纤维具有独特的纳米尺寸特性、良好的透光率和可加工性能，在其表面构筑对重金属离子具有选择性识别功能的基团有望制备高灵敏度的重金属离子传感器。但如何在纳米纤维表面构筑功能基团的同时保留其纳米尺寸特性，以及重金属离子传感器检测后的再利用是当前需要解决的问题。何辉课题组通过模拟斑马鱼在含Ag⁺水环境中体内乙酰胆碱酯酶的应激变化，以纳米纤维为基体，将富含胞嘧啶（C）碱基对的DNA功能试剂锚定在纳米表面，制备了双功能纳米纤维基仿生传感器，并研究其对低浓度Ag⁺的选择性识别性能及其在检测过程中银纳米簇在CNF-DNA表面的形成机制，实现借助便携式光谱设备对超低Ag⁺浓度的选择性识别的同时，在无需外加任何还原剂的情况下，在CNF-DNA的表面获得分布均匀的银纳米簇，并以此为新的检测平台，递推式的检测生物体内乙酰胆碱酯酶的活性，对阿尔茨海默氏病的防治具有重要意义，拓展了纳米纤维基重金属离子传感器在生物领域的应用。

Lei Wang, Wei Guo, Hongxiang Zhu, Hui He*, Shuangfei Wang, Preparation and properties of a dual-function cellulose nanofiber-based bionic biosensor for detecting silver ions and acetylcholinesterase [J], Journal of Hazardous Materials, 2021, 403, 123921-123930.

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123921

代表性论文

[1]Xiaoyu Shi, Wei Lu, Yichun Xue, Hang Zhou, Fei Xue, Hui He*, Songlin Wang, Shuangfei Wang. Design of thermo-responsive hyperbranched nanofibre-based adsorbent with high CO₂ adsorption capacity and analysis of its ultra-low temperature regeneration mechanism [J], Chemical Engineering Journal, 2021, doi.org/10.1016/j.cej.2021.130362.

[2]Hang Zhou, Hongxiang Zhu, Xiaoyu Shi, Lei Wang, Hui He*, Shuangfei Wang. Design of amphoteric bionic fibers by imitating spider silk for rapid and complete removal of low-level multiple heavy metal ions [J], Chemical Engineering Journal, 2021, 412, 128670-128679.

[3]Fei Xue, Hui He*, Hang Zhou, Zongyan Quan, Zhiping Chen, Qi Wu, Hongxiang Zhu*, Shuangfei Wang. Structural design of a cellulose-based hyperbranched adsorbent for the rapid and complete removal of Cr(VI) from water [J], Chemical Engineering Journal, 2021, 418, 128037-128048.

[4]Hang Zhou, Hongxiang Zhu, Fei Xue, Hui He⁎, Shuangfei Wang, Cellulose-based amphoteric adsorbent for the complete removal of low-level heavy metal ions via a specialization and cooperation mechanism [J], Chemical Engineering Journal, 2020, 385, 123879-12390. (高被引论文)

[5]Lei Wang, Wei Guo, Hongxiang Zhu, Hui He*, Shuangfei Wang, Preparation and properties of a dual-function cellulose nanofiber-based bionic biosensor for detecting silver ions and acetylcholinesterase [J], Journal of Hazardous Materials, 2020, 403, 123921-123930.

[6]Hui He, Linzhou Zhuang, Shuixia Chen*, Hucheng Liu, Qihan Li. Structure design of hyperbranched polyamine adsorbent for CO₂  adsorption[J]. Green Chemistry. 2016, 18, 5859-5869.

[7]Zongyan Quan, Hui He*, Hang Zhou, Yuting Liang, Lei Wang, Songya Tian, Hongxiang Zhu, Shuangfei Wang*. Designing an intelligent nanofiber ratiometric fluorescent sensor sensitive to biogenic amines for detecting the freshness of shrimp and pork [J], Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 333, 129535-12953546. 

[8]Lei Wang, Hongxiang Zhu, Guotao Xu, Xudong Hou, Hui He*, Shuangfei Wang. A biocompatible cellulose-nanofiber-based multifunctional material for Fe³⁺ detection and drug delivery [J], Journal of Materials Chemistry C, 2020, 8, 11796-11804.

[9]Yuting Liang, Hongxiang Zhu, Lei Wang, Hui He*, Shuangfei Wang. Biocompatible smart cellulose nanofibres for sustained drug release via pH and temperature dual-responsive mechanism [J], Carbohydrate Polymers, 2020, 249, 116876-116886. 

[10]Hui He*, Xiaoyu Shi, Wenbo Chen, Rimei Chen, Chao Zhao, Shuangfei Wang*. Temperature/pH smart nanofibers with excellent biocompatibility and their dual interactions stimulus-responsive mechanism [J], Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2020, 68, 3518-3527. 

[11]Hui He, Meixiao Cheng, Yuting Liang, Hongxiang Zhu*, Yupei Sun, Die Dong, Shuangfei Wang. Intelligent cellulose nanofibers with excellent biocompatibility enable sustained antibacterial and drug release via a pH-responsive mechanism [J], Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2020, 68, 3518-3527. 

[12]Fei Xue, Hui He*, Hongxiang Zhu, Huanhuan Huang, Qi Wu, Shuangfei Wang, Structural design of a cellulose-based solid amine adsorbent for the complete removal and colorimetric detection of Cr(VI), Langmuir, 2019, 35, 12636-12646. 

[13]Hui He*, Hanying Tang, Xingjuan Chen, Xudong Hou, Xiaochong Zhou, Hong Chen, Shanyan Wu, Shuangfei Wang*. Structure design of low-temperature regenerative hyperbranched polyamine adsorbent for CO₂ capture[J], Langmuir, 2018, 34, 14169-14179.

[14]Meixiao Cheng, Hui He*, Hongxiang Zhu*, Wei Guo, Wenbo Chen, Fei Xue, Shile Zhou, Xingjuan Chen, Shuangfei Wang. Preparation and properties of pH-responsive reversible-wettability biomass cellulose-based material for controllable oil/water separation[J], Carbohydrate Polymers, 2019, 203, 246-255. 

[15]Wei Guo, Hui He⁎, Hongxiang Zhu*, Xudong Hou, Xingjuan Chen, Shile Zhou, Shuangfei Wang, Lingtao Huang, Jiehan Lin. Preparation and properties of a biomass cellulose-based colorimetric sensor for Ag⁺ and Cu²⁺[J], Industrial Crops & Products, 2019, 137, 410-418. 

往期推荐

01
► 点击阅读

02
► 点击阅读

03
► 点击阅读

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享自己论文的精华与亮点。

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。