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取之桑叶,用之桑蚕——红光碳点喂蚕生产荧光蚕丝

荧光丝在发光纺织品、生物工程和医疗产品等方面有着广阔的应用前景。天然蚕丝具有非凡的生物相容性和力学性能,但在紫外光照射下呈淡蓝色、浅黄色或完全无荧光。在过去的十年中为了获得荧光蚕丝发展了两条路线:家蚕的基因改造工程和有机染料的染色技术。基因改造成本昂贵且耗时长,还会产生基因编辑错误,对物种造成永久性的伤害;而有机染料的生产和使用往往对健康和环境有害。早期的研究表明,用纳米粒子喂蚕能够改变蚕丝的性能。因此,给家蚕喂食低成本、安全无毒,环境友好、高效发光的碳点(CDs),是获得荧光蚕丝的最佳途径。


虽然荧光碳点的合成方法多种多样,原料极其丰富,但是要找到合适的碳点喂蚕生产荧光蚕丝却充满了挑战。因为碳点需要满足以下条件:(1)碳点要安全无毒,最好是以天然生物质为原料制备;(2)反应条件要简单,产量和产率都要高。只有低成本大量制备才能满足养蚕的需求;(3)碳点发光峰最好位于近红外区,峰宽要窄,这样有利于荧光成像分析;(4)碳点的荧光稳定性好,生物兼容性高,能在蚕体乃至蚕丝中保持发光性能不变。(5)碳点必须是疏水的,才能在蚕体中富集,并且转移到蚕茧的丝素蛋白中。一般来说,红光发射的碳点内部要有较大的sp2共轭结构,通常要用多环和杂环芳香化合物合成才能得到。而这些原料毒性都很大,反应产物也很复杂,需要多步提纯。而生物质合成的碳点,几乎都是发射蓝绿色荧光的,大多数都是亲水的,喂蚕之后很快就通过蚕沙排泄了。


复旦大学熊焕明教授(点击查看介绍)课题组经过几年的努力,筛选了很多碳源与制备方法,终于找到了一种绿色、可持续的路线——以桑叶为原料制备深红色发光的碳点(R-CDs)。所制备的R-CDs的主发射峰位于676 nm,肩峰位于725 nm,半峰宽仅有20 nm, 量子产率高达73%,是目前已知的最亮的深红色发光碳点。激发光波长从紫外变化到红光区,R-CDs都能发射强烈的红色荧光,甚至在阳光下的荧光都是肉眼可见的。用R-CDs喂养的蚕也在绿光照射下就能进行高清晰的荧光成像,避免了通常紫外灯光照的伤害。经过几个月的观察,这些用R-CDs喂养的蚕健康成长、结茧、化蛾、交配和产卵,并且蚕、茧、蛾和卵都发出明亮的荧光。这种荧光卵能正常孵化出下一代,这有力地证实了R-CDs的生物相容性和生物安全性。为了探讨R-CDs在家蚕体内的分布和代谢,作者对家蚕各器官进行了解剖分析。结果表明,R-CDs可部分通过家蚕粪便代谢,部分通过消化道转移到丝腺和体壁。最后,这些被蚕体吸收的R-CDs会进入蚕丝,使蚕茧变为粉红色,并且在紫外灯下发射明亮的红色荧光。

图1.(a)碳点的合成与分离示意图。水相中的是G-CDs,油相中的是R-CDs。(b)G-CDs和(c)R-CDs的水溶液在不同波长光照下的照片。(d)R-CDs在不同波长激发下的荧光发射光谱,插图是其在阳光下在照片,荧光肉眼可见。图片来源:Adv. Mater.


这是首次用近红外发光的碳点安全地喂养家蚕,并产生明亮发光的蚕丝的报道。蚕体、消化道、丝腺体、蚕沙、蚕茧和蚕蛾都发射红色荧光,具有R-CDs的光谱特征,R-CDs也可从上述组织中分离出来。因此,这些蚕的生理活动可以通过荧光成像来监测,甚至直接用肉眼观察。喂食碳点的家蚕健康生长、正常发育、交配、产卵、孵化出下一代。所有这一切都是基于R-CDs的优点,包括波长大于700纳米的近红外发射,高达73%的绝对量子产率,仅有20纳米的半峰宽,良好的疏水性和优秀的生物相容性。由于这种R-CDs可以很容易地从桑叶中大规模制备,且饲养蚕的成活率接近100%,因此荧光家蚕丝有望在未来大量生产应用于实际生活。

图2.(a)实验组家蚕在绿光下的全身照。R-CD的红色荧光肉眼可见。(b)对照组家蚕在紫外光照射下只有本身微弱的黄绿色荧光(在绿光灯下完全无荧光)。在日光灯下和紫外灯下的(c)实验组蚕茧和(d)实验组蚕蛾。图片来源:Adv. Mater.


近日上述研究成果在线发表于国际一流学术刊物《先进材料》(Advanced Materials)上。本论文只有3位作者,第一作者是硕士生刘俊,通讯作者是熊焕明教授,单位都是复旦大学化学系。该论文获得了国家自然科学基金面上项目的支持(21975048和 21771039),以及上海市科学技术委员会的支持(19DZ2270100))。


熊焕明课题组的研究方向是多功能纳米杂化材料,详情可访问网站:https://nanogroup.fudan.edu.cn/ 


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Mulberry Leaves Derived Red Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk

Jun Liu, Taoyi Kong, Huan-Ming Xiong

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202200152


导师介绍

熊焕明

https://www.x-mol.com/university/faculty/9676 


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