银纳米粒子图案化丝素蛋白薄膜的光学性能调控及其在生物光学器件中的应用

本研究针对生物相容性纳米复合材料在光学传感领域的应用需求，通过白光照相还原法在丝素蛋白(SF)基质中合成银纳米粒子(AgNPs)，系统研究了AgNPs浓度对薄膜光学带隙(Eg )、乌尔巴赫能量(Eu )、折射率(n)等关键参数的影响规律。结果表明AgNPs的掺入使光学带隙从3.92 eV降至3.84 eV，折射率提升至2.154，为开发柔性生物光学器件提供了新材料体系。

　　

在生物医学和光学传感领域，开发兼具优异光学性能和生物相容性的新型材料一直是研究热点。丝素蛋白(SF)作为天然生物高分子，以其优异的机械性能和生物降解性备受关注，而银纳米粒子(AgNPs)则因其独特的表面等离子体共振(SPR)效应在光学领域具有重要应用价值。然而，如何精确调控SF-AgNPs复合材料的光学特性，并阐明其构效关系，仍是亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，来自印度的研究人员在《Next Materials》发表了创新性研究成果。他们采用环境友好的生物模板法，以家蚕(Bombyx mori)丝素蛋白既作为还原剂又作为稳定剂，通过白光照相还原技术成功制备了不同AgNPs含量的复合薄膜(S₁
-S₄
)。通过多尺度表征发现，AgNPs的引入能有效调控材料的光学性能，为开发新一代生物光学器件提供了理论依据和技术支撑。

研究团队运用了四项关键技术：X射线衍射(XRD)分析晶体结构，透射电镜(TEM)观测纳米粒子形貌，紫外-可见光谱(UV-Vis)测定光学参数，以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征分子结构。从印度Ramanagara市场采购的蚕茧经LiBr溶解后制备再生SF溶液，通过调节AgNO₃
浓度(1-4 wt%)获得系列复合材料。

【4.1 FTIR研究】
红外光谱证实SF蛋白中的酪氨酸残基参与Ag⁺
还原过程，酰胺I带(1624 cm^-1
)和II带(1518 cm^-1
)的位移表明β-折叠构象变化。1166 cm^-1
处酚羟基峰的消失提示AgNPs与SF的酚基发生配位作用。

【4.2 XRD研究】
衍射图谱显示AgNPs呈面心立方结构，主要晶面为(111)、(200)、(220)和(311)。Scherrer公式计算平均粒径为15.45 nm，与TEM结果一致。纯SF在19.4°和24.7°的特征峰分别对应无规卷曲(silk I)和β-折叠(silk II)构象。

【4.3 TEM研究】
电镜图像显示AgNPs呈球形均匀分布，粒径15-20 nm，选区电子衍射(SAED)证实其单晶特性。SF的稳定作用有效防止了纳米粒子团聚，2 wt%样品展现出最佳分散性。

【4.4 光学性能】
随着AgNPs含量增加，光学带隙从3.98 eV(纯SF)降至3.84 eV(4 wt%)，乌尔巴赫能量从1.93 eV增至2.72 eV，表明缺陷态密度增加。折射率在3 wt%时达到峰值2.154，归因于小尺寸AgNPs(367 nm处)的强SPR效应。

【4.9 非线性光学】
三阶非线性极化率χ⁽³⁾
在3 wt%样品中高达1.194×10^-12
esu，非线性折射率n₂
达40.68×10^-19
esu，显著优于报道的BaTiO₃
等材料，展现出优异的光学限幅潜力。

这项研究通过生物模板法成功实现了SF-AgNPs复合材料光学性能的可控调节，阐明了AgNPs浓度与光学参数的定量关系。3 wt% AgNPs的样品兼具高折射率(2.154)和显著的非线性光学响应，为开发柔性生物光子器件、可植入光学传感器和紫外防护材料提供了新思路。特别值得注意的是，材料制备全程采用绿色化学方法，避免了传统化学还原剂的环境毒性问题，在生物医学和环保领域具有双重意义。该成果不仅拓展了天然蛋白材料在光电领域的应用边界，也为设计新型"生物-纳米"杂化功能材料提供了重要参考。