，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(wú)機(jī)材料，可為人類(lèi)提供更環(huán)保的經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間。

　　過(guò)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(chēng)蘋(píng)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(chēng)，因量子點(diǎn)的現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)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(chēng)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(lái)還有很長(zhǎng)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(lái)自美國(guó)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(lái)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(yáng)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(lái)源：Christa Neu/Lehigh University）

　　早在2012年，該校化學(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(lái)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(zhǎng)的超級(jí)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(qǐng)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(jí)細(xì)菌，但他所觀察到的現(xiàn)象帶給他啟發(fā)和思考：這類(lèi)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(guó)國(guó)家基金會(huì)的研究創(chuàng)新新型前沿領(lǐng)域（EFRI）申請(qǐng)到了一項(xiàng)200萬(wàn)美元的研究經(jīng)費(fèi)，研究如何通過(guò)基因改造的寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas）來(lái)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(duì)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(jí)，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(guò)一種叫做定向演化（ directed evolution）的生物技術(shù)來(lái)改造細(xì)菌，讓它能夠選擇性地生產(chǎn)量子點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)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(lái)后，需要通過(guò)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(mén)一臺(tái)價(jià)值450萬(wàn)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(shuō)：“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(guò)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?cè)囍コ孔狱c(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(shuō)，“我們花了數(shù)月時(shí)間來(lái)解決這一問(wèn)題。隨著我們對(duì)問(wèn)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(duì)工程師來(lái)說(shuō)的確令人振奮，但對(duì)于醫(yī)學(xué)科學(xué)家來(lái)說(shuō)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(guó)國(guó)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(jiǎn)單易操縱的細(xì)菌生產(chǎn)出這類(lèi)酶，就能合成量子點(diǎn)。Berger說(shuō)：“我們已有證據(jù)表明脫離細(xì)胞來(lái)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(lái)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(lái)示蹤腫瘤和確診疾病。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(lái)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(chē)、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(guò)生物酶從水中分離重金屬來(lái)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(lèi)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(wú)機(jī)納米粒子生長(zhǎng)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(yáng)能電池，毫無(wú)疑問(wèn)這將是一項(xiàng)驚人之舉。”