“取之桑葉，用之桑蠶” 熊煥明教授課題組用紅光碳點(diǎn)喂養(yǎng)家蠶獲得明亮的熒光蠶絲
熒光絲在發(fā)光紡織品、生物工程和醫(yī)療產(chǎn)品等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。天然蠶絲具有非凡的生物相容性和力學(xué)性能，但在紫外光照射下呈淡藍(lán)色、淺黃色或完全無熒光。目前有兩條路線可以獲得熒光蠶絲：家蠶的基因改造工程和有機(jī)染料的染色技術(shù)。其中基因改造成本昂貴且耗時(shí)長(zhǎng)，還會(huì)產(chǎn)生基因編輯錯(cuò)誤，對(duì)物種造成永久性的傷害；而有機(jī)染料的生產(chǎn)和使用往往對(duì)健康和環(huán)境有害。早期的研究表明，用納米粒子喂蠶能夠改變蠶絲的性能。因此，給家蠶喂食低成本、安全無毒，環(huán)境友好、高效發(fā)光的碳點(diǎn)（CDs），是獲得熒光蠶絲的最佳途徑。
雖然熒光碳點(diǎn)的合成方法多種多樣，原料極其豐富，但是要找到合適的碳點(diǎn)喂蠶生產(chǎn)熒光蠶絲卻充滿了挑戰(zhàn)。因?yàn)樘键c(diǎn)需要滿足以下條件：
1、碳點(diǎn)要安全無毒，最好是以天然生物質(zhì)為原料制備；
2、反應(yīng)條件要簡(jiǎn)單，產(chǎn)量和產(chǎn)率都要高，大量制備才能滿足養(yǎng)蠶的需求；
3、碳點(diǎn)發(fā)光峰最好位于近紅外區(qū)，峰寬要窄，這樣有利于熒光成像分析；
4、碳點(diǎn)的熒光穩(wěn)定性好，生物兼容性高，能在蠶體、蠶絲中保持發(fā)光性能；
5、碳點(diǎn)必須是疏水的，才能在蠶體中富集，并且轉(zhuǎn)移到蠶繭的絲素蛋白中。
一般來說，紅光發(fā)射的碳點(diǎn)內(nèi)部要有較大的sp2共軛結(jié)構(gòu)，通常要用多環(huán)和雜環(huán)芳香化合物合成才能得到。而這些原料毒性都很大，反應(yīng)產(chǎn)物也很復(fù)雜，需要多步提純。而生物質(zhì)合成的碳點(diǎn)，幾乎都是發(fā)射藍(lán)綠色熒光的，大多數(shù)都是親水的，喂蠶之后很快就通過蠶沙排泄了。
熊煥明教授課題組經(jīng)過幾年的努力，篩選了很多碳源與制備方法，終于找到了一種綠色、可持續(xù)的路線——以桑葉為原料制備深紅色發(fā)光的碳點(diǎn)（R-CDs）。所制備的R-CDs的主發(fā)射峰位于676 nm，肩峰位于725 nm，半峰寬僅有20 nm, 量子產(chǎn)率高達(dá)73%，是目前已知的最亮的深紅色發(fā)光碳點(diǎn)。激發(fā)光波長(zhǎng)從紫外變化到紅光區(qū)，R-CDs都能發(fā)射強(qiáng)烈的紅色熒光，甚至在陽光下的熒光都是肉眼可見的！用R-CDs喂養(yǎng)的蠶也在綠光照射下就能進(jìn)行高清晰的熒光成像，避免了通常紫外燈光照的傷害。經(jīng)過幾個(gè)月的觀察，這些用R-CDs喂養(yǎng)的蠶健康成長(zhǎng)、結(jié)繭、化蛾、交配和產(chǎn)卵，并且蠶、繭、蛾和卵都發(fā)出明亮的熒光！這種熒光卵能正常孵化出下一代，這有力地證實(shí)了R-CDs的生物相容性和生物安全性。為了探討R-CDs在家蠶體內(nèi)的分布和代謝，作者對(duì)家蠶各器官進(jìn)行了解剖分析。結(jié)果表明，R-CDs可部分通過家蠶糞便代謝，部分通過消化道轉(zhuǎn)移到絲腺和體壁。最后，這些被蠶體吸收的R-CDs會(huì)進(jìn)入蠶絲，使蠶繭變?yōu)榉奂t色，并且在紫外燈下發(fā)射明亮的紅色熒光。
這是首次用近紅外發(fā)光的碳點(diǎn)安全地喂養(yǎng)家蠶，并產(chǎn)生明亮發(fā)光的蠶絲的報(bào)道。蠶體、消化道、絲腺體、蠶沙、蠶繭和蠶蛾都發(fā)射紅色熒光，具有R-CDs的光譜特征，R-CDs也可從上述組織中分離出來。因此，這些蠶的生理活動(dòng)可以通過熒光成像來監(jiān)測(cè)，甚至直接用肉眼觀察。喂食碳點(diǎn)的家蠶健康生長(zhǎng)、正常發(fā)育、交配、產(chǎn)卵、孵化出下一代。所有這一切都是基于R-CDs的優(yōu)點(diǎn)，包括波長(zhǎng)大于700納米的近紅外發(fā)射，高達(dá)73%的絕對(duì)量子產(chǎn)率，僅有20納米的半峰寬，良好的疏水性和優(yōu)秀的生物相容性。由于這種R-CDs可以很容易地從桑葉中大規(guī)模制備，且飼養(yǎng)蠶的成活率接近100%，因此熒光家蠶絲有望在未來大量生產(chǎn)應(yīng)用于實(shí)際生活。
圖1.（a）碳點(diǎn)的合成與分離示意圖。水相中的是G-CDs，油相中的是R-CDs。（b）G-CDs和（c）R-CDs的水溶液在不同波長(zhǎng)光照下的照片。（d）R-CDs在不同波長(zhǎng)激發(fā)下的熒光發(fā)射光譜，插圖是R-CDs在陽光下的照片，熒光肉眼可見。
圖2.（a）實(shí)驗(yàn)組家蠶在綠光下的全身照。R-CD的紅色熒光肉眼可見。（b）對(duì)照組家蠶在紫外光照射下只有本身微弱的黃綠色熒光。在日光燈下和紫外燈下的（c）實(shí)驗(yàn)組蠶繭和（d）實(shí)驗(yàn)組蠶蛾。
上述研究成果已經(jīng)發(fā)表于國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物《先進(jìn)材料》上（Adv.Mater.2022,34,2200152）。論文題目是：Mulberry-Leaves-Derived Red-Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk。本論文只有3位作者，第一作者是碩士生劉俊，通訊作者是熊煥明教授，單位都是復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系。本論文已被多家新聞媒體報(bào)道，如：https://www.newscientist.com/article/2310873-silkworms-fed-quantum-dots-make-silk-that-glows-in-the-dark/
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202200152
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