复旦熊焕明团队用桑叶制备碳点，近红外荧光绝对量子产率可达73%！

2022-04-28 06:20:56, DeepTech深科技 HORIBA科学仪器事业部

“子规啼彻四更时，起视蚕稠怕叶稀。”宋代诗人谢枋得曾在《蚕妇吟》中描写了蚕妇的辛苦。凌晨四更天、杜鹃啼叫，勤劳的蚕妇起来查看桑叶是否够吃，为的是最大程度保证蚕茧产量。几百年后，复旦大学化学系教授熊焕明，耗时 4 个春天精心养蚕，不过他不是为了产茧，而是为了科研。

动图 | 会发光的蚕（来源：Advanced Materials）

近日，熊焕明教授和团队以桑叶为原料，制备出一种碳点 (carbon dots, CDs)，该碳点具有较强的近红外荧光，绝对量子产率可达 73%，半峰全宽为 20nm，有望用于纺织和生物给药。

（来源：Advanced Materials）

2 月 28 日，相关论文以《桑叶衍生的红色发射碳点用于喂养蚕以生产明亮的荧光丝》（Mulberry-Leaves-Derived Red-Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk）为题，发表在 Advanced Materials 上。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

几千条蚕和四个春天

许多人看到本次蚕体发光的照片，特别是该论文中的视频都很激动，因为以前这样的生物成像几乎都是在激光共聚焦显微镜下、或者小动物成像系统中拍摄的，也就是在激光照射下生物体内发射的荧光经过波长识别再转换成相应的颜色，其实这种是伪彩色，尽管色彩很鲜艳但是并不真实。

熊焕明指出，很多论文报道的荧光成像图片是把多个通道发光的信号复合起来形成的，不同波长荧光的相对发光强度完全是实验人员操纵的。而该研究的图像包括视频都是肉眼可见的真彩色，并且是用手机拍摄的。

（来源：Advanced Materials）

“为什么我们能做到这一点？因为家蚕到了快要吐丝的阶段，身体会变得半透明，绿光能穿透其皮肤组织，激发其中的红光碳点发射荧光，而且我们合成的碳点发光性能特别强（在阳光照射下肉眼都能看到），虽然碳点在蚕体内很少，但是其发光亮度足以掩盖绿色的激发光。”熊焕明表示。

图 | 熊焕明（来源：熊焕明）

该工作在绝大多数小动物成像中是做不到的，因为要用绿色激光照射，动物活体反射和散射的绿光强度远超其体内发射的红光的强度，只能用滤光片把绿光全部消除才能看到红光的信号。

但在该研究的实验中，绿色光源就是常用的匀光灯，光照不强对家蚕也没有伤害，可以连续使用，能对家蚕进行长时间观察。熊焕明还指出：“紫外光对家蚕是有明显伤害的，在紫外灯下拍摄家蚕的图片和视频是杀鸡取卵的行为。”

另据悉，这是一个交叉学科研究，涉及两个领域：荧光碳点和养蚕取丝。从荧光碳点的角度来说，虽然文献中有很多红光碳点的报道，但是能达到此次红光碳点发光指标的几乎没有。

（来源：Advanced Materials）

首先，该研究的红光碳点发射峰在近红外 1 区，有利于生物成像；其次，绝对量子产率高达 73%，所以在太阳光下肉眼能看到红色荧光，这非常难得；再后，半峰宽只有 20 纳米，这意味着很容易从背景荧光中脱颖而出。

通俗解释一下，就是把红光碳点和其他几种同样发光量子产率很高、半峰宽在 100 纳米以上的发光物质（大多数发光纳米粒子、生物质都这样）混合在一起，最终红光碳点信号要强几倍，即发光峰强度要大几倍，从而可完全排除生物背景荧光的干扰。

为了养蚕取丝，碳点要安全无毒、还得生物相容性好。这样的话，碳点合成的原料最好是生物质，而不是有毒的化学分子。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。

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。所以，找到这样的碳点合成方法就用掉熊焕明两年的时间。在化学实验室同时养几千条蚕可不是一件容易事，要恒温恒湿，还要隔绝各种化学污染，学生每天清理蚕沙桑叶，生怕蚕宝宝挂掉。

蚕养到五龄的阶段特别能吃，大部分碳点都通过蚕沙排泄了，小部分才能进入丝腺体，这意味着合成碳点既要产量大、还要周期短，保证每批次碳点质量都相同才行。

最后，各种颜色的蚕丝市面上都有，大部分是通过有机染料染色得到的，也有基因工程的杰作。但是，基因工程成本高、周期长，还会因为基因编辑错误产生有病甚至有害的物种，而有机染料很多是有毒的，特别是生产和染色阶段会产生大量污染环境的排放。

（来源：Advanced Materials）

从该研究的实验结果看，碳点养蚕吐丝化蛾足以证明碳点的生物安全性。而碳点的合成应用成本，肯定比基因工程低得多。喂蚕带来的负面影响，如果有的话也仅限于一代蚕，不存在基因错误后患无穷的危险。因此，用安全无毒的荧光饲料喂养家蚕获得荧光蚕丝是最经济、最安全、最实用的路线。

对于该研究，第一位审稿人评价称，“这篇引人入胜的论文涉及通过碳量子点的荧光丝，这是一个有趣的研究领域...... 特别是因为他们的碳点具有极好的生物相容性......如论文中的图 5 所示，对荧光蚕丝形成的生物学过程的完整解剖分析以及重要的透射电镜分析令人印象深刻。令人赞叹的是，这种微观层面的过程现在可以通过荧光成像进行监测，而且肉眼可见。”

（来源：Advanced Materials）

第二个审稿人写道：“作者描述了用溶剂热技术从桑叶中合成碳点（CDs）。CDs 在溶液中呈现近红外发射（676nm），被用作丝素蛋白的荧光染料。从技术上讲，他们将荧光染料涂在桑叶上用来喂蚕，经过一个生长周期，他们得到了自身具有荧光的丝素蛋白。”

科研的四个春天

该研究要从 2017 年说起，当时熊焕明在申请国家自然科学基金，把碳点养蚕写进了申请书研究内容里。该项目获得了批准，编号为 21771039，项目名字为“全彩色高效发光碳点的精准合成与分离及其生物技术应用”。

可是到项目结题时，研究碳点养蚕的论文还没有发表。熊焕明说：“可见一个原创的、探索性的想法，从试验到成功到发表是多么不容易。上海的地理气候决定了只有春季能养蚕，也就是说这个想法变成现实经历了 4 个春季。”

2018 年春，该团队把实验室所有的碳点都试了一遍，发现家蚕有的中毒身亡，有的停滞生长，有的不能吐丝结茧，有的貌似一切正常，但是完全不能发光，这让大家都很泄气。

2019 年春，熊焕明鼓励学生振作起来，通过重复文献中别人发表的碳点合成，然后再试验自己的家蚕。他们渐渐发现只有从生物质出发合成的碳点，对蚕才是安全的。期间，该团队试验过的生物质有各种菜叶、水果、牛奶。尽管用了这些，蚕还不能发光，但是起码能健康地活下来、甚至繁衍后代了。

2020 年春，新冠疫情爆发，整个春季实验室都处于关停状态，熊焕明在家带着孩子养蚕时，观察到蚕生长的全部过程，尝试给蚕喂点荧光粉，当用激光笔照射时，蚕体果然可以发光！但是，蚕很快就不行了。小朋友提醒道，蚕只能吃桑叶啊，不能乱喂东西。一句话启发了我，等到开学时我立刻安排学生用桑叶合成碳点，发现了荧光性能优异的红光碳点。

2021 年春，确定了桑叶合成碳点之后，养蚕的实验势如破竹。实验室成员发现五龄蚕快要结茧的时候，身体会变得透明，这是荧光成像的最佳时机，只需在五龄期用碳点喂蚕就能观察到蚕体发光。

可到了结茧时，他们又遇上了新难题，虽然喂了同样的碳点，结的茧子却各不相同，不仅外观颜色不同，有白的、黄的、灰的、粉的，而且发光颜色也不同，还有很多不发光的。通过查文献和请教了苏州大学的专家，才知道从网上买的家蚕品种混杂，要筛选出合适的品种才行。然后又是紧锣密鼓地做实验，最后终于找到能充分表达碳点的家蚕品种。

荧光蚕丝的应用前景

谈及应用前景，熊焕明表示：“第一个应用当然是将荧光蚕丝用于纺织，制作衣物和装饰品。第二个应用是包裹药物，利用蚕丝生物降解的特点给药治疗，在这个过程中碳点荧光的消散意味着药物完全释放，相当于一个荧光探针。”

同时，他表示：“论文工作量很大，却只有 3 个作者。第一作者刘俊是我的硕士生，第二作者是她的男朋友，虽然他不是我们课题组的，却帮忙做了很多实验。我跟刘俊说咱们得把蚕解剖了，分析一下碳点在蚕体内分布和代谢的情况。刘俊找男朋友帮忙，结果小伙子不敢动手，最后还是刘俊自学成才，自己一个人把解剖分析的工作全干完了。化学专业的研究生自学蚕的解剖，照着网上的教程就把这么精细复杂的工作完成，真是不简单。”

在后续计划上，该团队正在制备各种颜色发光的碳点用来喂蚕，希望得到五颜六色的的荧光蚕丝，这方面已经有了一些进展。另外，他们希望从桑叶中找到合成红光碳点的有效成分，最好是准确的分子结构，从而设计一个更高效、产率高的合成，以便大规模地制造发光性能优异的碳点。很明显它不仅仅能喂蚕，还能作为生物荧光探针用于生物技术领域。

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参考：

1、Liu, J., Kong, T., & Xiong, H. M. (2022). Mulberry Leaves Derived Red Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk. Advanced Materials, 2200152.

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