“子規(guī)啼徹四更時，起視蠶稠怕葉稀?！彼未娙酥x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(chǎn)量。幾百年后，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授熊煥明，耗時 4 個春天精心養(yǎng)蠶，不過他不是為了產(chǎn)繭，而是為了科研。

動圖 | 會發(fā)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(chǎn)率可達(dá) 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(guān)論文以《桑葉衍生的紅色****碳點用于喂養(yǎng)蠶以生產(chǎn)明亮的熒光絲》（Mulberry-Leaves-Derived Red-Emissive Carbon Dots for Feeding Silkworms to Produce Brightly Fluorescent Silk）為題，發(fā)表在 Advanced Materials 上。

圖 | 相關(guān)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(fā)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(tǒng)中拍攝的，也就是在激光照射下生物體內(nèi)****的熒光經(jīng)過波長識別再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(fā)光的信號復(fù)合起來形成的，不同波長熒光的相對發(fā)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(fā)其中的紅光碳點****熒光，而且我們合成的碳點發(fā)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(nèi)很少，但是其發(fā)光亮度足以掩蓋綠色的激發(fā)光。”熊煥明表示。

圖 | 熊煥明（來源：熊煥明）

該工作在絕大多數(shù)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(yuǎn)超其體內(nèi)****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(xù)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?！?/span>

另據(jù)悉，這是一個交叉學(xué)科研究，涉及兩個領(lǐng)域：熒光碳點和養(yǎng)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(dá)到此次紅光碳點發(fā)光指標(biāo)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(qū)，有利于生物成像；其次，絕對量子產(chǎn)率高達(dá) 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(fā)光量子產(chǎn)率很高、半峰寬在 100 納米以上的發(fā)光物質(zhì)（大多數(shù)發(fā)光納米粒子、生物質(zhì)都這樣）混合在一起，最終紅光碳點信號要強幾倍，即發(fā)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(yǎng)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(zhì)，而不是有毒的化學(xué)分子。一般來說，紅光****的碳點內(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。

生物質(zhì)合成的碳點，幾乎都是****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。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(xué)實驗室同時養(yǎng)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(xué)污染，學(xué)生每天清理蠶沙桑葉，生怕蠶寶寶掛掉。

蠶養(yǎng)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(chǎn)量大、還要周期短，保證每批次碳點質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)和染色階段會產(chǎn)生大量污染環(huán)境的排放。

（來源：Advanced Materials）

從該研究的實驗結(jié)果看，碳點養(yǎng)蠶吐絲化蛾足以證明碳點的生物安全性。而碳點的合成應(yīng)用成本，肯定比基因工程低得多。喂蠶帶來的負(fù)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(yǎng)家蠶獲得熒光蠶絲是最經(jīng)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(lǐng)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(xué)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(xiàn)在可以通過熒光成像進行監(jiān)測，而且肉眼可見?！?/span>

（來源：Advanced Materials）

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

疫情期間在家?guī)Ш⒆訂l(fā)科研靈感

該研究要從 2017 年說起，當(dāng)時熊煥明在申請國家自然科學(xué)基金，把碳點養(yǎng)蠶寫進了申請書研究內(nèi)容里。該項目獲得了批準(zhǔn)，編號為 21771039，項目名字為“全彩色高效發(fā)光碳點的精準(zhǔn)合成與分離及其生物技術(shù)應(yīng)用”。

可是到項目結(jié)題時，研究碳點養(yǎng)蠶的論文還沒有發(fā)表。熊煥明說：“可見一個原創(chuàng)的、探索性的想法，從試驗到成功到發(fā)表是多么不容易。上海的地理氣候決定了只有春季能養(yǎng)蠶，也就是說這個想法變成現(xiàn)實經(jīng)歷了 4 個春季?！?/span>

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

2019 年春，熊煥明鼓勵學(xué)生振作起來，通過重復(fù)文獻中別人發(fā)表的碳點合成，然后再試驗自己的家蠶。他們漸漸發(fā)現(xiàn)只有從生物質(zhì)出發(fā)合成的碳點，對蠶才是安全的。期間，該團隊試驗過的生物質(zhì)有各種菜葉、水果、牛奶。盡管用了這些，蠶還不能發(fā)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(fā)，整個春季實驗室都處于關(guān)停狀態(tài)，熊煥明在家也不能上班。當(dāng)時，他岳父患癌住院，愛人每天都在醫(yī)院照顧他，他自己承包了所有家務(wù)活。

他回憶稱：“我有兩個孩子，一個小學(xué)生天天上網(wǎng)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(yǎng)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(chǎn)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(fā)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(fā)了我，等到開學(xué)時我立刻安排學(xué)生用桑葉合成碳點，發(fā)現(xiàn)了熒光性能優(yōu)異的紅光碳點。但是此時桑葉老了，蠶已經(jīng)不能吃了，試驗又中斷了?！?/span>

2021 年春，確定了桑葉合成碳點之后，養(yǎng)蠶的實驗勢如破竹。實驗室成員發(fā)現(xiàn)五齡蠶快要結(jié)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(fā)光。

可到了結(jié)繭時，他們又遇上了新難題，雖然喂了同樣的碳點，結(jié)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(fā)光顏色也不同，還有很多不發(fā)光的。

他讓學(xué)生查了文獻，又請教了蘇州大學(xué)的專家，才知道從網(wǎng)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(xué)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(dá)旦，最后終于找到能充分表達(dá)碳點的家蠶品種。

可用于紡織和給****治療等

談及應(yīng)用前景，熊煥明表示：“第一個應(yīng)用當(dāng)然是將熒光蠶絲用于紡織，制作衣物和裝飾品。第二個應(yīng)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(dāng)于一個熒光探針?！?/span>

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(nèi)分布和代謝的情況。劉俊找男朋友幫忙，結(jié)果小伙子不敢動手，最后還是劉俊自學(xué)成才，自己一個人把解剖分析的工作全干完了?；瘜W(xué)專業(yè)的研究生自學(xué)蠶的解剖，照著網(wǎng)上的教程就把這么精細(xì)復(fù)雜的工作完成，真是不簡單?！?/span>

在后續(xù)計劃上，該團隊正在制備各種顏色發(fā)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(jīng)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(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計一個更高效、產(chǎn)率高的合成，以便大規(guī)模地制造發(fā)光性能優(yōu)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(shù)領(lǐng)域。

-End-

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.