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