讓蠶吐出天然熒光蠶絲，復旦團隊以桑葉為原料制備碳點，近紅外熒光絕對量子產率可達73%，有望用于紡織品和生物給****

“子規啼徹四更時，起視蠶稠怕葉稀。”宋代詩人謝枋得曾在《蠶婦吟》中描寫了蠶婦的辛苦。凌晨四更天、杜鵑啼叫，勤勞的蠶婦起來查看桑葉是否夠吃，為的是最大程度保證蠶繭產量。幾百年后，復旦大學化學系教授熊煥明，耗時 4 個春天精心養蠶，不過他不是為了產繭，而是為了科研。

動圖 | 會發光的蠶（來源：Advanced Materials）

近日，他和團隊以桑葉為原料，制備出一種碳點 (carbon dots, CDs)，該碳點具有較強的近紅外熒光，絕對量子產率可達 73%，半峰全寬為 20nm，有望用于紡織和生物給****。

（來源：Advanced Materials）

2 月 28 日，相關論文以《桑葉衍生的紅色****碳點用于喂養蠶以生產明亮的熒光絲》（Mulberry-Leaves-Derived Red-Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk）為題，發表在 Advanced Materials 上。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

幾千條蠶和四個春天

許多人看到本次蠶體發光的照片，特別是該論文中的視頻都很激動，因為以前這樣的生物成像幾乎都是在激光共聚焦顯微鏡下、或者小動物成像系統中拍攝的，也就是在激光照射下生物體內****的熒光經過波長識別再轉換成相應的顏色，其實這種是偽彩色，盡管色彩很鮮艷但是并不真實。

熊煥明指出，很多論文報道的熒光成像圖片是把多個通道發光的信號復合起來形成的，不同波長熒光的相對發光強度完全是實驗人員操縱的。而該研究的圖像包括視頻都是肉眼可見的真彩色，并且是用手機拍攝的。

（來源：Advanced Materials）

“為什么我們能做到這一點？因為家蠶到了快要吐絲的階段，身體會變得半透明，綠光能穿透其皮膚組織，激發其中的紅光碳點****熒光，而且我們合成的碳點發光性能特別強（在陽光照射下肉眼都能看到），雖然碳點在蠶體內很少，但是其發光亮度足以掩蓋綠色的激發光。”熊煥明表示。

圖 | 熊煥明（來源：熊煥明）

該工作在絕大多數小動物成像中是做不到的，因為要用綠色激光照射，動物活體反射和散射的綠光強度遠超其體內****的紅光的強度，只能用濾光片把綠光全部消除才能看到紅光的信號。

但在該研究的實驗中，綠色光源就是常用的勻光燈，光照不強對家蠶也沒有傷害，可以連續使用，能對家蠶進行長時間觀察。熊煥明還指出：“紫外光對家蠶是有明顯傷害的，在紫外燈下拍攝家蠶的圖片和視頻是殺雞取卵的行為。”

另據悉，這是一個交叉學科研究，涉及兩個領域：熒光碳點和養蠶取絲。從熒光碳點的角度來說，雖然文獻中有很多紅光碳點的報道，但是能達到此次紅光碳點發光指標的幾乎沒有。

（來源：Advanced Materials）

首先，該研究的紅光碳點****峰在近紅外 1 區，有利于生物成像；其次，絕對量子產率高達 73%，所以在太陽光下肉眼能看到紅色熒光，這非常難得；再后，半峰寬只有 20 納米，這意味著很容易從背景熒光中脫穎而出。

通俗解釋一下，就是把紅光碳點和其他幾種同樣發光量子產率很高、半峰寬在 100 納米以上的發光物質（大多數發光納米粒子、生物質都這樣）混合在一起，最終紅光碳點信號要強幾倍，即發光峰強度要大幾倍，從而可完全排除生物背景熒光的干擾。

為了養蠶取絲，碳點要安全無毒、還得生物相容性好。這樣的話，碳點合成的原料最好是生物質，而不是有毒的化學分子。一般來說，紅光****的碳點內部要有較大的 sp2 共軛結構，通常要用多環和雜環芳香化合物合成才能得到。而這些原料毒性都很大，反應產物也很復雜，需要多步提純。

生物質合成的碳點，幾乎都是****藍綠色熒光的，大多數都是親水的，喂蠶之后很快就通過蠶沙排泄。所以，找到這樣的碳點合成方法就用掉熊煥明兩年的時間。在化學實驗室同時養幾千條蠶可不是一件容易事，要恒溫恒濕，還要隔絕各種化學污染，學生每天清理蠶沙桑葉，生怕蠶寶寶掛掉。

蠶養到五齡的階段特別能吃，大部分碳點都通過蠶沙排泄了，小部分才能進入絲腺體，這意味著合成碳點既要產量大、還要周期短，保證每批次碳點質量都相同才行。

最后，各種顏色的蠶絲市面上都有，大部分是通過有機染料染色得到的，也有基因工程的杰作。但是，基因工程成本高、周期長，還會因為基因編輯錯誤產生有病甚至有害的物種，而有機染料很多是有毒的，特別是生產和染色階段會產生大量污染環境的排放。

（來源：Advanced Materials）

從該研究的實驗結果看，碳點養蠶吐絲化蛾足以證明碳點的生物安全性。而碳點的合成應用成本，肯定比基因工程低得多。喂蠶帶來的負面影響，如果有的話也僅限于一代蠶，不存在基因錯誤后患無窮的危險。因此，用安全無毒的熒光飼料喂養家蠶獲得熒光蠶絲是最經濟、最安全、最實用的路線。

對于該研究，第一位審稿人評價稱，“這篇引人入勝的論文涉及通過碳量子點的熒光絲，這是一個有趣的研究領域...... 特別是因為他們的碳點具有極好的生物相容性......如論文中的圖 5 所示，對熒光蠶絲形成的生物學過程的完整解剖分析以及重要的透射電鏡分析令人印象深刻。令人贊嘆的是，這種微觀層面的過程現在可以通過熒光成像進行監測，而且肉眼可見。”

（來源：Advanced Materials）

第二個審稿人寫道：“作者描述了用溶劑熱技術從桑葉中合成碳點（CDs）。CDs 在溶液中呈現近紅外****（676nm），被用作絲素蛋白的熒光染料。從技術上講，他們將熒光染料涂在桑葉上用來喂蠶，經過一個生長周期，他們得到了自身具有熒光的絲素蛋白。”

疫情期間在家帶孩子啟發科研靈感

該研究要從 2017 年說起，當時熊煥明在申請國家自然科學基金，把碳點養蠶寫進了申請書研究內容里。該項目獲得了批準，編號為 21771039，項目名字為“全彩色高效發光碳點的精準合成與分離及其生物技術應用”。

可是到項目結題時，研究碳點養蠶的論文還沒有發表。熊煥明說：“可見一個原創的、探索性的想法，從試驗到成功到發表是多么不容易。上海的地理氣候決定了只有春季能養蠶，也就是說這個想法變成現實經歷了 4 個春季。”

2018 年春，該團隊把實驗室所有的碳點都試了一遍，發現家蠶有的中毒身亡，有的停滯生長，有的不能吐絲結繭，有的貌似一切正常，但是完全不能發光，這讓大家都很泄氣。

2019 年春，熊煥明鼓勵學生振作起來，通過重復文獻中別人發表的碳點合成，然后再試驗自己的家蠶。他們漸漸發現只有從生物質出發合成的碳點，對蠶才是安全的。期間，該團隊試驗過的生物質有各種菜葉、水果、牛奶。盡管用了這些，蠶還不能發光，但是起碼能健康地活下來、甚至繁衍后代了。

2020 年春，新冠疫情爆發，整個春季實驗室都處于關停狀態，熊煥明在家也不能上班。當時，他岳父患癌住院，愛人每天都在醫院照顧他，他自己承包了所有家務活。

他回憶稱：“我有兩個孩子，一個小學生天天上網課，一個幼兒園小朋友在家搗亂，有空的時候玩點什么好呢？我家樓下有幾顆桑樹，我就帶他倆在家養蠶，小朋友很興奮地觀察到蠶生長的全部過程，包括蛾子交配產卵，卵又孵化生出蟻蠶。我嘗試給蠶喂點熒光粉，用激光筆照射一下，蠶體果然可以發光！但是，蠶很快就不行了。一旁的小朋友說，蠶只能吃桑葉啊，不能亂喂東西。一句話啟發了我，等到開學時我立刻安排學生用桑葉合成碳點，發現了熒光性能優異的紅光碳點。但是此時桑葉老了，蠶已經不能吃了，試驗又中斷了。”

2021 年春，確定了桑葉合成碳點之后，養蠶的實驗勢如破竹。實驗室成員發現五齡蠶快要結繭的時候，身體會變得透明，這是熒光成像的最佳時機，只需在五齡期用碳點喂蠶就能觀察到蠶體發光。

可到了結繭時，他們又遇上了新難題，雖然喂了同樣的碳點，結的繭子卻各不相同，不僅外觀顏色不同，有白的、黃的、灰的、粉的，而且發光顏色也不同，還有很多不發光的。

他讓學生查了文獻，又請教了蘇州大學的專家，才知道從網上買的家蠶品種混雜，要篩選出合適的品種才行。然后又是緊鑼密鼓地做實驗，學生非常辛苦，一個人照顧幾百條蠶的吃喝拉撒，還要做各種分析測試，幾乎通宵達旦，最后終于找到能充分表達碳點的家蠶品種。

可用于紡織和給****治療等

談及應用前景，熊煥明表示：“第一個應用當然是將熒光蠶絲用于紡織，制作衣物和裝飾品。第二個應用是包裹****物，利用蠶絲生物降解的特點給****治療，在這個過程中碳點熒光的消散意味著****物完全釋放，相當于一個熒光探針。”

同時，他表示：“論文工作量很大，卻只有 3 個作者。第一作者劉俊是我的碩士生，第二作者是她的男朋友，雖然他不是我們課題組的，卻幫忙做了很多實驗。我跟劉俊說咱們得把蠶解剖了，分析一下碳點在蠶體內分布和代謝的情況。劉俊找男朋友幫忙，結果小伙子不敢動手，最后還是劉俊自學成才，自己一個人把解剖分析的工作全干完了。化學專業的研究生自學蠶的解剖，照著網上的教程就把這么精細復雜的工作完成，真是不簡單。”

在后續計劃上，該團隊正在制備各種顏色發光的碳點用來喂蠶，希望得到五顏六色的的熒光蠶絲，這方面已經有了一些進展。另外，他們希望從桑葉中找到合成紅光碳點的有效成分，最好是準確的分子結構，從而設計一個更高效、產率高的合成，以便大規模地制造發光性能優異的碳點。很明顯它不僅僅能喂蠶，還能作為生物熒光探針用于生物技術領域。

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參考：

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.