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随着全球经济和工业的高速发展,煤、石油、天然气等不可再生资源被大量消耗,环境污染问题也日益严重,人们开始关注可再生资源的开发和利用。纤维素物质是自然界最丰富的原材料,具有良好的生物相容性、生物降解性、柔韧性、无毒性、多孔性,因而有关纤维素材料的开发和应用成为了当前的研究热点之一。其中,新型纤维素功能材料,如膜材料、发光材料、智能响应材料、疏水材料、抗菌材料、凝胶材料、生物医用材料等被人们竞相开发,成为了纤维素科学领域的研究重点。本文以天然纤维素物质(普通定量滤纸)为基底,以活性的钛酸四丁酯或锆酸四丁酯为前体物,通过表面溶胶-凝胶法在纤维素纳米纤维表面沉积超薄的金属氧化物凝胶膜(TiO2或Zr02凝胶层),从而活化相对惰性的纤维素表面,用以组装不同功能分子和客体物质,制备出各种具有特定功能和性质的纤维素功能材料,主要结论如下：(1)寡聚核苷酸功能化的纤维素材料：以锆酸四丁酯为前体物,通过表面溶胶-凝胶法在纤维素纳米纤维表面沉积超薄的ZrO2凝胶层,然后利用磷酸基团与Zr02之间强的配位作用将大量端基磷酸化的探针DNA分子组装于其表面,得到寡聚核苷酸功能化的纤维素材料。SEM和TEM观察表明ZrO2凝胶层能在纳米尺度上复制纤维素的层次结构,即能在纤维素纳米纤维表面很好地覆盖,这为接下来探针DNA链的大量富集和目标DNA链的识别提供了有利条件。所制备的寡聚核苷酸功能化的纸能保持了较好的生物活性,能实现对与探针DNA链完全互补的目标DNA链的反复识别,且具有较好的选择性。相对与平面的石英片基底,纤维素基底具有大的表面积,因而探针DNA分子在纤维素基底上的组装量要远远高出其在石英片基底上的组装量,故基于纤维素基底的DNA识别体系的检测限能达纳摩尔级,要低于基于平面石英片基底的识别体系的检测限两个数量级。此外,对比实验表明,ZrO2凝胶层对于探针DNA的组装和接下来的识别都是必不可少的。(2)基于纤维素材料的半胱氨酸比色传感器：以锆酸四丁酯为前体物,通过表面溶胶-凝胶法在纤维素纳米纤维表面沉积超薄的ZrO2凝胶层,然后利用羧基与Zr02之间强的配位作用将大量的N719-Hg2+复合物组装于其表面,得到纸质的半胱氨酸比色传感器(类似pH试纸),显示出橙色。半胱氨酸分子中含有游离的巯基,与Hg的结合能力很强,因而当传感器材料与半胱氨酸水溶液接触时,固定在纤维素纤维表面的N719-Hg2+复合物中的Hg能被半胱氨酸夺取,橙色的传感材料立即变为紫色(染料N719的颜色),同时该材料UV-vis谱图中的某一谱带在传感后发生了480nm到520nm的红移,很好地对应了材料颜色的转变。该检测体系方便、快速具有很好的便携性,其检测限低至20μM,且具有很好的选择性,对其它19种天然氨基酸及其混合物均无变色响应。同时该检测体系具有良好的抗干扰能力,能够将其从包含其它19种天然氨基酸的混合溶液中检测出来。我们对该传感材料的重复利用性质也做了研究,通过半胱氨酸和Hg(N03)2水溶液的交替处理可以实现反复使用。此外,对比实验表明,Zr02凝胶层对于N719-Hg2+复合物组装的组装和接下来的比色传感都是必不可少的。(3)抗菌的纤维素材料：以钛酸四丁酯和壳聚糖乳酸盐为前体物,通过LbL的方法在滤纸基底的纤维素纤维表面交替沉积二氧化钛凝胶层和壳聚糖层得到纤维素/二氧化钛/壳聚糖复合材料。该材料在微观的纳米层次上具有独特的电缆状的核-壳结构,表现为纤维素纳米纤维的核以及核表面所包覆的平整且均匀的二氧化钛/壳聚糖复合物壳,对于10个二氧化钛/壳聚糖双层的膜来说,其平均后都为14nm)。将沉积有二氧化钛/壳聚糖复合物膜的纤维素材料用于Ag+吸附再在紫外光的照射下将其原位还原,产生银纳米颗粒,得到纤维素/二氧化钛/壳聚糖/银纳米颗粒复合材料。该材料在微观的纳米层次上同样具有电缆状的核-壳结构,表现为纤维素纳米纤维的核、核表面所包覆的均匀的二氧化钛/壳聚糖/银纳米颗粒复合物壳,以及均匀分布在纳米纤维表面的粒径在4-10nm的银纳米颗粒。此外,抗菌实验表明,表而功能化修饰的纤维素材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有一定的抗菌活性。其中二氧化钛/壳聚糖复合物膜修饰的纤维素材料的抗菌效率低于60%,而二氧化钛/壳聚糖/银纳米颗粒复合物膜修饰的纤维素材料由于高的银含量使其能杀死几乎所有接种的细菌,表现出优异的抗菌能力。(4)具有催化性能的纤维素材料：以钛酸四丁酯为前体物,通过表面溶胶-凝胶法在纤维素纳米纤维表面沉积超薄的Ti02凝胶层。然后采用LbL的方法,通过静电作用将阳离子聚电解质PDDA层以及带负电的KAuCl4和阴离子聚电解质PSS双组分层交替组装到Ti02凝胶层覆盖的纤维素纳米纤维表面,之后用NaBH4水溶液将组装的KAuCl4原位还原成金纳米颗粒,得到金纳米颗粒修饰的纤维素材料。该材料继承了原有纤维素物质层次的纤维状结构：具有典型的金纳米颗粒表面等离子体共振吸收,表现为UV-vis谱图中在520nm处有一明显的吸收峰；其纤维素纳米纤维表面附着着许多粒径在5nm左右的金纳米颗粒。该材料对NaBH4还原4-硝基苯酚(4-NP)的反应具有明显的催化效果,10mL反应液(其中4-NP的浓度为0.1mM, NaBH4的浓度为10mM)经金纳米颗粒修饰的纤维素材料(cellulose/(TiO2)5/Au@(PDDA/PSS)10)过滤一次后,4-NP的转化率高达74.0%,经三次过滤后转化率高达98.7%；相比之下,纯滤纸、沉积有二氧化钛凝胶膜的滤纸以及沉积有二氧化钛凝胶层和聚电解质PDDA/PSS多层的滤纸对该反应均无催化效果,同时对4-NP也无明显吸附作用。