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生物技術(shù)首次應(yīng)用于量子點(diǎn): 簡潔環(huán)保的新方法

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關(guān)鍵詞:量子點(diǎn),納米

      ,不同于當(dāng)前利用有毒溶劑、高溫高壓等條件的制備方式,生物合成量子點(diǎn)技術(shù)將使該行業(yè)朝著環(huán)保的方向發(fā)展,并能在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上大大減少生產(chǎn)成本。使用生物技術(shù)合成結(jié)構(gòu)材料,利用自然的方法制備功能無機(jī)材料,可為人類提供更環(huán)保的經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間。

      過去的幾年,多家屏幕制造商為一種叫做量子點(diǎn)的微小晶體而著迷,他們相信量子點(diǎn)電視或手機(jī)能提供色彩更清晰明亮的圖像。有傳言稱蘋果公司(Apple)原本打算在去年發(fā)布量子點(diǎn)屏幕的iMac。但隨后該公司改稱,因量子點(diǎn)的現(xiàn)有生產(chǎn)過程導(dǎo)致的環(huán)境毒性太大而放棄制造。三星(Samsung)公司的SUHD電視宣稱使用更加環(huán)保的量子點(diǎn)技術(shù),但售價(jià)非常昂貴。要讓量子點(diǎn)屏幕像LED屏幕一樣流行起來還有很長的路要走,因?yàn)楝F(xiàn)有的量子點(diǎn)制備技術(shù)耗費(fèi)高且太復(fù)雜,它需要高達(dá)攝氏300度的溫度、有毒油性有機(jī)溶劑以及昂貴的設(shè)備。

      近期,來自美國利哈伊大學(xué)的研究者首次成功使用一種精確且可控的生物方法來生產(chǎn)量子點(diǎn)。它們的技術(shù)方法僅需要一個(gè)步驟, 利用溶液環(huán)境下的細(xì)菌直接合成帶有不同功能特性的半導(dǎo)體納米顆粒。這種全新的綠色環(huán)保的量子點(diǎn)生產(chǎn)技術(shù),將會(huì)在晶體管、太陽能電池、LED發(fā)光二極管、激光器以及醫(yī)療成像等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

      裝有量子點(diǎn)的小管在LED燈下可發(fā)出多種明快生動(dòng)的色彩,使得量子點(diǎn)技術(shù)在平板屏幕顯示和醫(yī)用成像設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域大有可為。(圖片來源:Christa Neu/Lehigh University)

      早在2012年,該?;瘜W(xué)與生物分子工程系的副教授BryanBerger就試圖借助一種具有重金屬抗性的菌株——嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)——來生產(chǎn)量子點(diǎn)。2011年,賓夕法尼亞州的醫(yī)護(hù)人員發(fā)現(xiàn)了這種可以在金屬表面生長的超級病菌。這種細(xì)菌會(huì)感染免疫系統(tǒng)受損的患者,很少抗生素可殺死它。醫(yī)護(hù)人員請醫(yī)院附近的化學(xué)工程師Berger幫助找出該細(xì)菌嗜金屬的原因。Berger的發(fā)現(xiàn)讓他倍感驚奇,這種微生物似乎是能吃進(jìn)金屬表面的電荷,并吐出一些微小的金屬顆粒。Berger不知道如何阻止這種超級細(xì)菌,但他所觀察到的現(xiàn)象帶給他啟發(fā)和思考:這類能吐出金屬的細(xì)菌,是否可被改造為生產(chǎn)小晶體的機(jī)器呢?

      為此,Berger組建了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì),包括同系副教授Steve McIntosh、材料科學(xué)和工程系資深教授Chris Keily、生物系教授Robert Skibbens,還有雪城大學(xué)化學(xué)系助理教授Ivan Korendovych。在利哈伊大學(xué)教師創(chuàng)新基金(FIG)和聯(lián)合研究基金(CORE)兩個(gè)項(xiàng)目的資助下,團(tuán)隊(duì)成員積累了前期的研究基礎(chǔ)。2013年,他們又從美國國家基金會(huì)的研究創(chuàng)新新型前沿領(lǐng)域(EFRI)申請到了一項(xiàng)200萬美元的研究經(jīng)費(fèi),研究如何通過基因改造的寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas)來制造硫化鎘量子點(diǎn)。

      Berger提到:“使用生物學(xué)方法的美妙之處在于它大大削減了制造量子點(diǎn)的需求成本,減少了對環(huán)境造成的危害,縮短了量子點(diǎn)的生產(chǎn)時(shí)間。” 傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方法需要花很多時(shí)間用于生長晶體,還要進(jìn)行處理和純化。 而生物合成方式,僅需要幾分鐘,最多幾個(gè)小時(shí)就能夠在水溶液環(huán)境中生產(chǎn)出尺寸完整的量子點(diǎn)晶體顆粒(粒徑約2到3納米),這些量子點(diǎn)是可溶的,也就省略了量子點(diǎn)的修飾處理和收集過程。由于細(xì)菌細(xì)胞比量子點(diǎn)納米晶體在尺寸上大很多倍,研究人員僅通過離心的方法便可去除細(xì)菌,只留下溶液中的量子點(diǎn)。

      最近,研究人員將量子點(diǎn)生物合成技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)鉛硫量子點(diǎn)和氧化物材料上,擴(kuò)展了生物合成量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍。這種技術(shù)的基理使得研究人員可將量子點(diǎn)的粒徑控制在納米級,并且由于量子點(diǎn)的粒徑?jīng)Q定了它的光電特性,進(jìn)而也可控制量子點(diǎn)的功能。而這樣的細(xì)胞合成技術(shù)僅需要生化實(shí)驗(yàn)室的一些基礎(chǔ)設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)。 研究人員通過一種叫做定向演化( directed evolution)的生物技術(shù)來改造細(xì)菌,讓它能夠選擇性地生產(chǎn)量子點(diǎn)。簡單來講,即把細(xì)菌放置在一個(gè)盛有水、鎘和硫元素作為合成前體以及微量的碳和氮的燒杯內(nèi)。細(xì)菌在這種環(huán)境中會(huì)終止它的大部分生物功能,它們將螯合燒杯中的金屬粒子,生成有活性的硫源,并控制生成物的結(jié)構(gòu)以形成晶體,從而制造出量子點(diǎn)。

      嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌

      為使該方法更加完善,當(dāng)量子點(diǎn)合成出來后,需要通過高精度的掃描透射電子顯微鏡分析單個(gè)納米顆粒的結(jié)構(gòu)。研究人員借助利哈伊大學(xué)電子顯微鏡和納米加工部門一臺(tái)價(jià)值450萬美元的最先進(jìn)儀器,檢查了每個(gè)量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和成分,它們發(fā)現(xiàn)每個(gè)量子點(diǎn)僅由幾十到幾百個(gè)原子構(gòu)成。

      Kiely說:“盡管有了如此先進(jìn)的顯微鏡,我們依然在向前推進(jìn)技術(shù)的極限。”該儀器使用十分精細(xì)的電子束掃描視野中的量子點(diǎn),當(dāng)某個(gè)位置的原子阻擋了電子束,相應(yīng)的就會(huì)在熒光屏上出現(xiàn)一種陰影圖像,就像是物體擋住光線后在墻上出現(xiàn)的陰影。數(shù)碼相機(jī)用于記錄納米晶體經(jīng)過高度放大后的原子分辨率圖像,以用于后續(xù)分析。

      早期研究中,研究團(tuán)隊(duì)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何去除圍繞量子點(diǎn)的生物物質(zhì)。“我們曾試著去除量子點(diǎn)上面的有機(jī)殘余物,一旦去掉這些干擾,就能看到材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)。”Keily說,“我們花了數(shù)月時(shí)間來解決這一問題。隨著我們對問題的理解更加深入,新材料的發(fā)現(xiàn)進(jìn)度也得以加快了。”

      這項(xiàng)工作刊登在綠色化學(xué)期刊(Green Chemistry)上,并被選為2015年7月刊的當(dāng)期封面。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對工程師來說的確令人振奮,但對于醫(yī)學(xué)科學(xué)家來說卻有點(diǎn)可怕。因?yàn)樗麄兪褂玫氖怯袧撛诟腥撅L(fēng)險(xiǎn)的菌株。2016年5月,該團(tuán)隊(duì)的最新研究發(fā)表在了美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)上。他們發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不需要整株細(xì)菌,只需要細(xì)菌里的某個(gè)酶即可以生產(chǎn)出量子點(diǎn)。 這種酶主導(dǎo)了細(xì)菌合成量子點(diǎn)的生化反應(yīng),因此當(dāng)前以細(xì)菌為基礎(chǔ)的量子點(diǎn)合成方法可被替代——只需使用酵母或其他簡單易操縱的細(xì)菌生產(chǎn)出這類酶,就能合成量子點(diǎn)。Berger說:“我們已有證據(jù)表明脫離細(xì)胞來合成量子點(diǎn)是可行的,這種方法僅使用純化的酶,降低了生產(chǎn)成本。”該研究團(tuán)隊(duì)正在探索量子點(diǎn)的胞外生物合成方法,并有望將其實(shí)驗(yàn)室成功擴(kuò)展為未來的量子點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)。

      Mclntosh提到:“研究人員希望建立一家低成本且環(huán)保的量子點(diǎn)生產(chǎn)公司。傳統(tǒng)的生產(chǎn)成本在每克1000到10000美元,而生物合成的生產(chǎn)方式可以將成本削減至少10倍。并且,估計(jì)每個(gè)燒杯內(nèi)的反應(yīng)可以達(dá)到每升幾克的產(chǎn)量。”

      紫外線照射下的玻璃器皿里面,量子點(diǎn)可發(fā)出彩虹光譜中的所有色光。用生物方法生產(chǎn)量子點(diǎn)或能用更便宜的成本制造出更好的電視和手機(jī)。

      量子點(diǎn)已經(jīng)用于醫(yī)學(xué)成像,用來示蹤腫瘤和確診疾病。長遠(yuǎn)來看,利哈伊大學(xué)的三位同事希望他們的技術(shù)可以拓寬量子點(diǎn)未來的應(yīng)用領(lǐng)域,比如用于更加環(huán)保的生產(chǎn)甲醇,或者可在汽車、取暖及發(fā)電中使用的綠色環(huán)保燃料。因?yàn)樵摷夹g(shù)是通過生物酶從水中分離重金屬來生產(chǎn)量子點(diǎn),其或還可用于水凈化和金屬回收。

      “我們還想創(chuàng)建不同類型的功能材料,制造大尺寸功能性材料以及單個(gè)量子點(diǎn)。”Mclntosh希望能夠發(fā)明一種量子點(diǎn)自組裝成宏觀結(jié)構(gòu)的方法,就像自然界中由單個(gè)無機(jī)納米粒子生長成軟體動(dòng)物外殼的方式。“如果我們有一天能夠?qū)⒓夹g(shù)延伸到宏觀,如果我們能夠制造出更多的材料,并且在維持其核心功能的基礎(chǔ)上控制它的結(jié)構(gòu),我們或能得到由量子點(diǎn)自裝配成的太陽能電池,毫無疑問這將是一項(xiàng)驚人之舉。”

    (審核編輯: 滄海一土)

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