一种丝胶-丝素原位碳化制备的可调荧光碳点及其应用

本发明属于生物质基碳量子点制备与荧光传感，具体涉及一种丝胶-丝素原位碳化制备的可调荧光碳点及其应用。

背景技术：

1、荧光碳点作为尺寸小于10 nm的零维碳基发光纳米材料，因具备抗光漂白性优异、生物相容性好、低细胞毒性、表面官能团易修饰等核心优势，逐步成为传统含重金属量子点的友好替代方向，在水环境重金属传感、细胞活体成像、临床微量生物标志物检测等场景已展现出可观的应用潜力。其中生物质前驱体制备的荧光碳点，因原料来源广泛、制备过程低碳环保，是当前该领域的主流技术探索方向之一。

2、天然蚕丝是储量充足的可再生生物质蛋白资源，组分中天然分布氮、氧杂原子活性位点，是自掺杂荧光碳点的理想前驱体。蚕丝的天然结构由外层约25wt%的丝胶蛋白与内层约75wt%的丝素蛋白复合构成，目前行业内已公开的蚕丝基荧光碳点制备技术，大多采用“蚕丝前置脱胶→分离提纯单一蛋白组分→辅助掺杂→碳化后多步纯化改性”的成熟技术路线，相关方案在现有公开专利与学术成果中已有较多披露。例如，首先通过高温纯碱煮沸、高浓度尿素溶液浸泡等前置工序对蚕丝进行脱胶处理，将丝胶从蚕丝主体剥离，以提纯后的丝素作为前驱体制备碳点。该工艺的优势是产物组分稳定性可控，但脱胶工序会伴随产生一定量的有机废水，对配套环保处理环节提出了较高要求，同时丝胶组分未被纳入碳点制备流程，原料整体利用率尚有提升空间；部分探索性研究尝试直接利用未脱胶蚕丝制备碳点，为进一步优化碳点发光性能，会在水热体系中补充引入乙二胺、氨水、硫脲等掺杂助剂，或搭配聚乙二醇、硅烷偶联剂等试剂进行表面修饰。这类方案可有效提升碳点的量子产率，但额外引入的助剂会增加原料成本，也需要后续增加针对性的提纯步骤来降低产物中的外源残留；此外，现阶段蚕丝基荧光碳点的性能调控，普遍采用碳化后补充改性的方式调整发光波长与表面官能团占比，可实现较宽范围的性能定制，但该模式下难以在反应过程中直接同步调控产物特性，后续需要配套高速离心、长时间透析、柱层析分离等工序，整体制备流程偏长，在规模化量产场景下的效率提升仍有进一步探索的空间。

3、因此，当前蚕丝基荧光碳点的各类成熟工艺已实现稳定量产，但在“全组分原料高效利用、无额外助剂简化流程、单步反应同步调控性能”这一细分技术方向上，仍存在可拓展的空白空间。本发明针对该方向提出了一条更轻量化的技术路径，进一步适配低能耗、低成本的绿色制备需求。

技术实现思路

1、针对现有蚕丝基荧光碳点制备工艺中，天然蚕丝双蛋白组分利用率不足、外源助剂引入增加后续纯化负担、反应流程长难以兼顾低碳生产与高性能产物需求的行业现状，本发明旨在提供一种以未脱胶天然蚕丝为唯一功能前驱体，通过丝胶-丝素原位协同碳化一步实现荧光特性定向调控的制备工艺，在简化整体流程的同时，获得荧光量子产率优异、批次稳定性好、生物安全性高的荧光碳点产物。

2、为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种丝胶-丝素原位碳化制备的可调荧光碳点，以未经脱胶预处理的天然蚕丝作为唯一碳源与唯一原生掺杂源，全程不添加外源碳源、外源氮掺杂剂、外源表面修饰试剂，仅通过单步水热反应实现丝胶与丝素的同步原位自掺杂碳化，直接获得表面官能团组成、荧光发射特性可调控的高量子产率荧光碳点。

4、本发明还提供了一种丝胶-丝素原位碳化制备可调荧光碳点的方法，具体步骤如下：

5、（1）将去除表面机械杂质的未经脱胶处理的天然蚕丝剪碎后，直接分散于去离子水中，配置得到料液比为1:（1～10）g/ml的均匀蚕丝悬浮液；

6、（2）采用ph调节剂将上述蚕丝悬浮液的体系ph调节至4～10；

7、（3）将调节ph后的悬浮液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，置于恒温烘箱中以5℃/min的统一速率升温至140～200℃后保温反应6～12h。

8、（4）待反应釜自然冷却至室温后，将反应后的混合液通过微孔滤膜过滤，随后透析，即可获得澄清透亮的荧光碳点水分散液。

9、其中，未脱胶天然蚕丝是反应体系内唯一的碳源与氮源双功能前驱体，全程不引入任何外源掺杂剂、表面接枝改性助剂，蚕丝在反应体系中的投料固液比控制最佳为1g:5ml。

10、进一步地，所述未脱胶天然蚕丝为剔除霉变段、无附着杂质的原生工业生丝，经去离子水常温漂洗3次彻底去除表面浮尘后，60℃鼓风烘干至恒重，随后剪切为0.2～0.8cm的均匀短段，避免投料时出现团聚浮起、分散不均的问题。

11、进一步地，所述微量酸碱调节剂为0.1mol/l稀盐酸或0.1mol/l氢氧化钠水溶液，仅用于精准校准反应体系液相酸碱度至4～10区间，调节过程中不向体系引入具备成核掺杂、表面改性功能的额外活性元素，仅通过改变液相环境调控丝胶、丝素的差异化热解动力学速率。

12、进一步地，通过ph与温度的定向参数匹配，可调控荧光碳点的尺寸和得率：可将碳点粒径尺寸控制在2～10nm范围，得率在2～21.5wt%。

13、进一步地，待反应完成体系冷却至室温后，无需设置多轮高速离心去除大颗粒残渣的工序，直接将全部反应混合液单次通过孔径0.22μm的水系pes微孔滤膜真空抽滤，随后采用截留分子量为1000的透析袋透析两天。

14、进一步地，制备得到的荧光碳点水分散液可根据实际场景需求，选择常温旋蒸浓缩得到任意浓度的高纯度碳点水溶液，也可置于-50℃环境下真空冷冻干燥12h，得到蓬松可复溶的粉体状荧光碳点产品。

15、进一步地，整个水热反应过程中，天然蚕丝外层的丝胶蛋白优先受热分解释放大量高活性氨基位点，同步与内层丝素热解生成的sp²杂化碳核中间体发生原位键合，一步在碳点表面自动构建高密度功能含氮官能团结构，无需任何后续表面修饰工序。

16、本发明另一方面提供由上述制备方法制得的可调功能荧光碳点在水环境四环素检测中的应用，所述荧光碳点作为无修饰荧光探针，用于特异性识别水体中的四环素。荧光碳点作为荧光探针用于水样中四环素检测时，检测限低至微摩尔级别，线性检测区间覆盖0.05μm～200μm。

17、进一步地，作为荧光探针的该款荧光碳点无需任何额外表面改性处理，直接依靠四环素触发特异性荧光猝灭效应实现四环素定量检测，可直接适配食品接触安全检测、活细胞荧光示踪等高要求应用场景。

18、有益技术效果：

19、本发明首次以未脱胶天然蚕丝作为唯一反应前驱体，规避了传统碳点合成过程中因引入额外掺杂元素带来的原料成本上升、副产物残留风险，依托丝胶与丝素天然蛋白组分的差异化热解特性实现原位协同碳化，从工艺源头保障了合成路径的绿色、低耗与可规模化复制性。

20、本发明通过仅调控反应体系ph值与水热温度的极简参数组合，即可精准定向调控碳点表面的氨基功能位点密度，实现440～550nm区间内荧光发射波长的有序调谐，突破了传统生物质碳点合成中荧光位点不可控、产物性能离散度大的技术瓶颈，对应所得的碳点产率最高可稳定达到21wt%以上。

21、本方法所得的荧光碳点无需任何后续表面修饰即可直接使用，2mg/ml高浓度下可直接作为特异性荧光探针应用于水体中四环素的定量检测，天然适配食品接触安全检测、活细胞原位荧光示踪等高合规要求的应用场景，具备清晰的产业转化落地路径。