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生物技术首次应用于量子点: 简洁环保的新方法
作者:admin    更新时间:2016-07-06 16:53    【字体:
  不同于当前利用有毒溶剂、高温高压等条件的制备方式,生物合成量子点技术将使该行业朝着环保的方向发展,并能在保证产量的基础上大大减少生产成本。使用生物技术合成结构材料,利用自然的方法制备功能无机材料,可为人类提供更环保的经济发展空间。
 
  过去的几年,多家屏幕制造商为一种叫做量子点的微小晶体而着迷,他们相信量子点电视或手机能提供色彩更清晰明亮的图像。有传言称苹果公司(Apple)原本打算在去年发布量子点屏幕的iMac。但随后该公司改称,因量子点的现有生产过程导致的环境毒性太大而放弃制造。三星(Samsung)公司的SUHD电视宣称使用更加环保的量子点技术,但售价非常昂贵。要让量子点屏幕像LED屏幕一样流行起来还有很长的路要走,因为现有的量子点制备技术耗费高且太复杂,它需要高达摄氏300度的温度、有毒油性有机溶剂以及昂贵的设备。
 
  近期,来自美国利哈伊大学的研究者首次成功使用一种精确且可控的生物方法来生产量子点。它们的技术方法仅需要一个步骤, 利用溶液环境下的细菌直接合成带有不同功能特性的半导体纳米颗粒。这种全新的绿色环保的量子点生产技术,将会在晶体管、太阳能电池、LED发光二极管、激光器以及医疗成像等领域发挥巨大的潜在应用价值。
 
  装有量子点的小管在LED灯下可发出多种明快生动的色彩,使得量子点技术在平板屏幕显示和医用成像设备应用领域大有可为。(图片来源:Christa Neu/Lehigh University)
 
  早在2012年,该校化学与生物分子工程系的副教授BryanBerger就试图借助一种具有重金属抗性的菌株——嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)——来生产量子点。2011年,宾夕法尼亚州的医护人员发现了这种可以在金属表面生长的超级病菌。这种细菌会感染免疫系统受损的患者,很少抗生素可杀死它。医护人员请医院附近的化学工程师Berger帮助找出该细菌嗜金属的原因。Berger的发现让他倍感惊奇,这种微生物似乎是能吃进金属表面的电荷,并吐出一些微小的金属颗粒。Berger不知道如何阻止这种超级细菌,但他所观察到的现象带给他启发和思考:这类能吐出金属的细菌,是否可被改造为生产小晶体的机器呢?
 
  为此,Berger组建了一个研究团队,包括同系副教授Steve McIntosh、材料科学和工程系资深教授Chris Keily、生物系教授Robert Skibbens,还有雪城大学化学系助理教授Ivan Korendovych。在利哈伊大学教师创新基金(FIG)和联合研究基金(CORE)两个项目的资助下,团队成员积累了前期的研究基础。2013年,他们又从美国国家基金会的研究创新新型前沿领域(EFRI)申请到了一项200万美元的研究经费,研究如何通过基因改造的寡养单胞菌(Stenotrophomonas)来制造硫化镉量子点。
 
  Berger提到:“使用生物学方法的美妙之处在于它大大削减了制造量子点的需求成本,减少了对环境造成的危害,缩短了量子点的生产时间。” 传统的工业生产方法需要花很多时间用于生长晶体,还要进行处理和纯化。 而生物合成方式,仅需要几分钟,最多几个小时就能够在水溶液环境中生产出尺寸完整的量子点晶体颗粒(粒径约2到3纳米),这些量子点是可溶的,也就省略了量子点的修饰处理和收集过程。由于细菌细胞比量子点纳米晶体在尺寸上大很多倍,研究人员仅通过离心的方法便可去除细菌,只留下溶液中的量子点。
 
  最近,研究人员将量子点生物合成技术应用于生产铅硫量子点和氧化物材料上,扩展了生物合成量子点的应用范围。这种技术的基理使得研究人员可将量子点的粒径控制在纳米级,并且由于量子点的粒径决定了它的光电特性,进而也可控制量子点的功能。而这样的细胞合成技术仅需要生化实验室的一些基础设备便可实现。 研究人员通过一种叫做定向演化( directed evolution)的生物技术来改造细菌,让它能够选择性地生产量子点。简单来讲,即把细菌放置在一个盛有水、镉和硫元素作为合成前体以及微量的碳和氮的烧杯内。细菌在这种环境中会终止它的大部分生物功能,它们将螯合烧杯中的金属粒子,生成有活性的硫源,并控制生成物的结构以形成晶体,从而制造出量子点。
 
  嗜麦芽寡养单胞菌
 
  为使该方法更加完善,当量子点合成出来后,需要通过高精度的扫描透射电子显微镜分析单个纳米颗粒的结构。研究人员借助利哈伊大学电子显微镜和纳米加工部门一台价值450万美元的最先进仪器,检查了每个量子点的结构和成分,它们发现每个量子点仅由几十到几百个原子构成。
 
  Kiely说:“尽管有了如此先进的显微镜,我们依然在向前推进技术的极限。”该仪器使用十分精细的电子束扫描视野中的量子点,当某个位置的原子阻挡了电子束,相应的就会在荧光屏上出现一种阴影图像,就像是物体挡住光线后在墙上出现的阴影。数码相机用于记录纳米晶体经过高度放大后的原子分辨率图像,以用于后续分析。
 
  早期研究中,研究团队面临的一项挑战是如何去除围绕量子点的生物物质。“我们曾试着去除量子点上面的有机残余物,一旦去掉这些干扰,就能看到材料的真实结构。”Keily说,“我们花了数月时间来解决这一问题。随着我们对问题的理解更加深入,新材料的发现进度也得以加快了。”
 
  这项工作刊登在绿色化学期刊(Green Chemistry)上,并被选为2015年7月刊的当期封面。这项发现对工程师来说的确令人振奋,但对于医学科学家来说却有点可怕。因为他们使用的是有潜在感染风险的菌株。2016年5月,该团队的最新研究发表在了美国国家科学院院刊(PNAS)上。他们发现其实并不需要整株细菌,只需要细菌里的某个酶即可以生产出量子点。 这种酶主导了细菌合成量子点的生化反应,因此当前以细菌为基础的量子点合成方法可被替代——只需使用酵母或其他简单易操纵的细菌生产出这类酶,就能合成量子点。Berger说:“我们已有证据表明脱离细胞来合成量子点是可行的,这种方法仅使用纯化的酶,降低了生产成本。”该研究团队正在探索量子点的胞外生物合成方法,并有望将其实验室成功扩展为未来的量子点生产企业。
 
  Mclntosh提到:“研究人员希望建立一家低成本且环保的量子点生产公司。传统的生产成本在每克1000到10000美元,而生物合成的生产方式可以将成本削减至少10倍。并且,估计每个烧杯内的反应可以达到每升几克的产量。”
 
  紫外线照射下的玻璃器皿里面,量子点可发出彩虹光谱中的所有色光。用生物方法生产量子点或能用更便宜的成本制造出更好的电视和手机。
 
  量子点已经用于医学成像,用来示踪肿瘤和确诊疾病。长远来看,利哈伊大学的三位同事希望他们的技术可以拓宽量子点未来的应用领域,比如用于更加环保的生产甲醇,或者可在汽车、取暖及发电中使用的绿色环保燃料。因为该技术是通过生物酶从水中分离重金属来生产量子点,其或还可用于水净化和金属回收。
 
  “我们还想创建不同类型的功能材料,制造大尺寸功能性材料以及单个量子点。”Mclntosh希望能够发明一种量子点自组装成宏观结构的方法,就像自然界中由单个无机纳米粒子生长成软体动物外壳的方式。“如果我们有一天能够将技术延伸到宏观,如果我们能够制造出更多的材料,并且在维持其核心功能的基础上控制它的结构,我们或能得到由量子点自装配成的太阳能电池,毫无疑问这将是一项惊人之举。”



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