几千年来，人们饲养家蚕以生产蚕丝用于纺织。随着现代科学技术的进步，改性后的蚕丝也可以用于体内药物运输、组织工程、生物成像等。蚕丝的改性方法主要包括以下三种：通过化学试剂处理蚕丝表面、通过基因工程重组蚕的DNA、用功能性物质饲喂家蚕。蚕丝的后处理路线已经工业化，但往往会造成环境污染，化学物质也会破坏蚕丝蛋白的天然结构。而基因改造需要长时间的研究和巨大的经济成本，目前成功的案例屈指可数。相比之下，向家蚕的饲料中添加功能性物质进行蚕丝改性，操作简单、实验周期短、通过变换添加剂就能赋予蚕丝各种各样的特性。到目前为止，科研人员已经用过各种物质来饲喂家蚕，如单壁碳纳米管（SWNTs）、石墨烯、Ag纳米线（Ag NW）等。
在已报道的添加剂中，碳点（CDs）是一种新型的零维碳纳米粒子，由于具有优异的光学性能和良好的生物相容性显示出独特的优势。 碳点的合成路线包括“自上而下”和“自下而上”的方法，后者近年来被采用的频率较高。CDs的前体包括各种生物质、小分子、大分子和聚合物。在荧光材料家族中，CDs比有机染料具有更好的光稳定性和化学稳定性，比金属基量子点/金属氧化物纳米颗粒具有更低的生物毒性，更容易降解。CDs的荧光性质易于调谐，毒性低，生产成本低，有可能进行大规模生产，并用于饲喂家蚕以获得荧光丝。
到目前为止，用碳点养蚕的报道只有几篇，仅获得红色和蓝色荧光丝，蚕丝发光的颜色和适合喂蚕的碳点都需要拓展。从实际应用的角度来说，碳点与丝素蛋白（主要由家蚕的产丝器官后部丝腺分泌形成）结合，才能使蚕丝经脱胶（去除水溶性的丝胶蛋白）后仍能发光。因此，开发能够聚集在家蚕后部丝腺的碳点是一个巨大的挑战。
基于高亲脂性和弱酸性物质容易进入家蚕后部丝腺的经验，复旦大学化学系熊焕明团队选用两种具有共轭平面和高亲脂性的小分子作为前体制备CDs，经过仔细的调整和优化，制备的G-CDs在535 nm处表现出较强的发射，量子产率高达71%。它们的油水分配浓度比高达147倍（Lg P > 2），等电点为5.16，与后部丝腺的等电点接近。食用了G-CD的家蚕发出强烈的绿色荧光，并织出在紫外灯下肉眼可见的亮绿色荧光茧。G-CDs对家蚕生命周期没有影响，不会通过蚕卵转移至下一代。G-CDs主要存在于家蚕后部丝腺中，证明G-CDs容易与丝素蛋白结合。在丝腺、粪便和茧中均能提取到G-CDs，并具有一致的荧光性能，证明G-CDs具有优异的荧光稳定性、化学稳定性和生物安全性。最后，把荧光丝缝在布上，在紫外灯下呈现醒目的“FDU”荧光图案，表明这种荧光蚕丝有实际应用的前景。
相关成果以“Green Fluorescent Carbon Dots with Critically Controlled Surface States: Make Silk Shine via Feeding Silkworm”为题发表在Nano Letters 上。第一作者为复旦大学博士生吴照帆。
选择邻苯二胺和L-色氨酸作为原料，溶解于DMF中，使用少量HCl催化，于聚四氟乙烯反应釜中在200°C下反应90 min。冷却至室温后，将反应液倒入水中，然后使用二氯甲烷萃取。用去离子水反复清洗，直到水相无色。收集二氯甲烷并自然干燥，得到G-CDs。TEM图像显示G-CDs纳米颗粒均匀且单分散，晶格间距为0.21 nm，平均直径约为3 nm。荧光光谱显示G-CDs在535 nm处具有强烈的荧光发射，经积分球测得量子产率为71%，远高于文献中的许多其他绿色荧光碳点。据报道，当LgP>2时外来添加物可通过家蚕的消化道迁移到蚕腺中，等电点（pI，Zeta电位为零时的pH值）较低则有利于它们在家蚕丝腺中的富集。使用摇瓶法，选择正辛醇和PBS溶液测量G-CDs的脂水分配系数（LgP），根据图1f，g中的标准曲线计算出油水分配比为147，LgP=2.167。图1 h显示G-CDs主要集中于正辛醇中，表明G-CDs具有优异的亲脂性。 通过测量不同pH值下的Zeta电位来估计G-CDs的pI约为5.16。因此，G-CDs的高亲脂性和弱酸性都有利于它们在家蚕体中被富集到丝腺。
图1. G-CDs的制备示意图以及其粒径，形貌，荧光性质，LgP，Zeta电位。
在红外光谱（图2 a）中，3500–3000 cm–1宽带归因于−OH和−NH–的拉伸振动，1680 cm–1处的尖峰归因于−C═O的拉伸振动，分别证实了羧基和仲胺的存在。3136–3000 cm–1的波段和742 cm–1的强峰分别归因于C–H在芳环上的拉伸振动和面外弯曲振动，以及1620–1450 cm–1的波段源于苯环的拉伸振动。XPS光谱显示了G-CDs的元素组成。C 1s精细光谱可分为两个峰：C–C/C═C （284.6 eV）和C–N/C–O （285.8 eV）。G-CDs的N含量低，O 1s精细光谱可分为C═O （532.1 eV）和C–O （533.5 eV）两个峰。
图2. G-CDs的FT-IR和XPS光谱。
家蚕以桑叶为食，一生分为五个时期，第五龄是成熟期，持续7-9天，此时桑叶量最大，体重增加最快，丝腺发育迅速。从5龄第3天开始，将G-CD乙醇溶液喷洒在桑叶上，晾干后饲喂实验组蚕，对照组饲喂普通桑叶。2天后，紫外灯下肉眼能清楚地看到家蚕的发光，与立体荧光显微镜观察结果一致。实验蚕的整个身体都显示出强烈的绿色荧光，包括其头部，胸部和尾巴（图3 a~d）。相比之下，对照蚕仅头部显示荧光（图3 e ∼ g），这归因于生物的自发荧光。在紫外光照射下，对照蚕暗淡无光（图3h）。所有5龄蚕的体重同步增加，实验组的最终体重略高于对照组（图3 i）。实验组家蚕能够正常成长，成熟、结茧、交配、产卵、孵化下一代，证明了G-CDs对家蚕生命周期没有影响。此外，所有实验组都幸存下来并成功地结茧，死亡率几乎为零。在白光下，对照组蚕茧为浅棕色或淡粉红色（图3 k），而实验茧看起来是浅黄色（图3 m）。在紫外线下，对照组茧不发荧光，仅有暗淡的颜色（图3 l），而实验组蚕茧则表现出亮绿色荧光（图3 n）。图3 o显示，实验雌性蚕蛾的腹部有绿色荧光。所有蚕蛾均能正常交配产卵，卵在日光下呈浅黄色，在紫外光下呈淡黄色荧光，对照组与实验组无明显差异。这些结果表明，G-CDs不会传递给下一代实验蚕，避免了G-CDs对后代的潜在影响。
图3. G-CDs在蚕体内的发光图像，体重增长的统计，所得实验组与对照组蚕茧的照片，发光的蚕蛾和刚排出的蚕卵。
从干燥的茧的外层收集松散的乱丝，对照丝在日光下呈浅粉红色，在紫外线下不显示荧光，而实验丝在日光下呈淡黄色，在紫外线照射下发出亮绿色（图4 a）。蚕丝用乙醇提取，得到的溶液如图4 b所示。由于桑叶中的色素，对照组和实验组在日光下都是黄色的。在紫外光下，对照组发出微弱的蓝色荧光，而实验组发出强烈的绿色荧光。图4 c中的PL光谱验证了以上说法，实验组提取液的荧光发射峰在535nm处，与G-CDs一致。图4 d中的TEM和HRTEM图像也与G-CDs一致（图1 b）。这些结果证明，G-CDs确实存在于实验组的茧和蚕丝中，并导致了绿色荧光。两种蚕丝样品的SEM图像没有显示出任何差异（图4 e和f），这意味着G-CDs的掺入不会破坏天然蚕丝的形态。将实验组蚕茧缫丝，卷在线轴上（图4 h），在紫外光下也显示出绿色荧光。把“FDU”的图案分别用荧光丝缝在红色和黑色布上（图4 i ∼ l），两者在紫外灯下都发出美丽耀眼的绿色荧光，说明这种荧光丝具有优良的韧性，能够满足刺绣和纺织要求，具有良好的应用前景。
图4. G-CDs在蚕体内的发光图像，体重增长的统计，所得实验组与对照组蚕茧的照片，发光的蚕蛾和刚排出的蚕卵。
在五龄末期，将家蚕禁食1天，处死并解剖。在紫外光下，实验组的丝腺有明显的绿色发光，而对照组几乎没有发光。一般来说，桑蚕丝由丝胶（约30 wt. %）和丝素蛋白（约70 wt.%）组成。丝胶主要由中部丝腺分泌，中部丝腺是整个丝腺中最厚的部分，通常聚集色素。丝心蛋白主要由后部丝腺分泌，后部丝腺是最长的部分。此外，前部丝腺是最细长的部分，与喷丝头相连。图5 a显示，实验组的整个丝腺都是发光的，前后都是绿色的，中间是黄色的。但在对照组中，由于一些黄酮类色素，只有中间的丝腺表现出微弱的黄色荧光。因此，实验组丝腺中部的黄绿色荧光可能是由黄酮类化合物和G-CDs的叠加色。将整个丝腺分成前、中、后三个部分，分别通过等量的乙醇提取，所得提取液照片如图5 f所示。实验组丝腺的乙醇提取液的TEM和HRTEM图像（图5 b）显示，视野中存在大量与G-CDs相同尺寸和且具有0.21 nm晶格间距的纳米颗粒，证实了G-CDs的存在。图5 c中，实验组后部丝腺的紫外吸收曲线与G-CDs接近，表明G-CDs主要聚集在后部丝腺中。实验组整体丝腺提取液的荧光光谱（图5 d）远高于对照组，且535 nm处的发射峰与G-CDs相同（图1 e）。图5 f显示了在紫外线照射下来自丝腺整体和每个部分的乙醇提取物的照片。在3个不同丝腺部位的提取物中，前部丝腺的荧光对比度最小；中部丝腺对比度最低；实验组后部丝腺对比度最大。这些结果表明，后部丝腺中G-CDs的含量远大于前部丝腺和中部丝腺。实验组中来自不同丝腺部位的乙醇提取物的荧光光谱（图5 e）也证实了这一结果。
图5. 实验组家蚕丝腺的照片，提取出来的碳点电镜照片。实验组和对照组丝腺不同部位的乙醇提取液的光谱和发光照片。
作者制备了一种新型的绿色荧光碳点G-CDs，具有较高的脂溶性，在油相与水相中的浓度分配比为147，等电点为5.16，绝对量子产率为71%。将G-CDs喷洒在桑叶上用于饲喂家蚕，从摄食G-CDs到结茧，家蚕在紫外灯下全身都表现出肉眼可见的亮绿色荧光。所得改性蚕丝表面光滑，韧性良好。将丝绸卷成线，在布上可缝制“FDU”图案，在紫外灯下发出美丽耀眼的绿色荧光。通过各种测试证实了G-CDs在蚕茧、家蚕丝腺和粪便中的存在，证明G-CDs经过家蚕的摄食和代谢后既不影响家蚕健康，又能保持自身的荧光性质不变。而且，G-CDs能够在后部丝腺中富集，从而被引入丝素蛋白中，与丝素蛋白的结合力强于丝胶蛋白。G-CDs在生产天然荧光蚕丝以供实际应用方面具有广阔的潜力，也许在不久的将来，通过CDs饲料添加剂养蚕生产多功能天然蚕丝会成为现实。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02426
