，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材料，可為人類提供更環(huán)保的經(jīng)濟發(fā)展空間。

　　過去的幾年，多家屏幕制造商為一種叫做量子點的微小晶體而著迷，他們相信量子點電視或手機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)布量子點屏幕的iMac。但隨后該公司改稱，因量子點的現(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)保的量子點技術(shù)，但售價非常昂貴。要讓量子點屏幕像LED屏幕一樣流行起來還有很長的路要走，因為現(xiàn)有的量子點制備技術(shù)耗費高且太復(fù)雜，它需要高達攝氏300度的溫度、有毒油性有機溶劑以及昂貴的設(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。它們的技術(shù)方法僅需要一個步驟， 利用溶液環(huán)境下的細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)保的量子點生產(chǎn)技術(shù)，將會在晶體管、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)用價值。

　　裝有量子點的小管在LED燈下可發(fā)出多種明快生動的色彩，使得量子點技術(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)——來生產(chǎn)量子點。2011年，賓夕法尼亞州的醫(yī)護人員發(fā)現(xiàn)了這種可以在金屬表面生長的超級病菌。這種細菌會感染免疫系統(tǒng)受損的患者，很少抗生素可殺死它。醫(yī)護人員請醫(yī)院附近的化學(xué)工程師Berger幫助找出該細菌嗜金屬的原因。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菌，是否可被改造為生產(chǎn)小晶體的機器呢？

　　為此，Berger組建了一個研究團隊，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）兩個項目的資助下，團隊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的研究創(chuàng)新新型前沿領(lǐng)域（EFRI）申請到了一項200萬美元的研究經(jīng)費，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。

　　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的需求成本，減少了對環(huán)境造成的危害，縮短了量子點的生產(chǎn)時間。” 傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方法需要花很多時間用于生長晶體，還要進行處理和純化。 而生物合成方式，僅需要幾分鐘，最多幾個小時就能夠在水溶液環(huán)境中生產(chǎn)出尺寸完整的量子點晶體顆粒（粒徑約2到3納米），這些量子點是可溶的，也就省略了量子點的修飾處理和收集過程。由于細菌細胞比量子點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菌，只留下溶液中的量子點。

　　最近，研究人員將量子點生物合成技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)鉛硫量子點和氧化物材料上，擴展了生物合成量子點的應(yīng)用范圍。這種技術(shù)的基理使得研究人員可將量子點的粒徑控制在納米級，并且由于量子點的粒徑?jīng)Q定了它的光電特性，進而也可控制量子點的功能。而這樣的細胞合成技術(shù)僅需要生化實驗室的一些基礎(chǔ)設(shè)備便可實現(xiàn)。 研究人員通過一種叫做定向演化（ directed evolution）的生物技術(shù)來改造細菌，讓它能夠選擇性地生產(chǎn)量子點。簡單來講，即把細菌放置在一個盛有水、鎘和硫元素作為合成前體以及微量的碳和氮的燒杯內(nèi)。細菌在這種環(huán)境中會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。

　　嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌

　　為使該方法更加完善，當(dāng)量子點合成出來后，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價值450萬美元的最先進儀器，檢查了每個量子點的結(jié)構(gòu)和成分，它們發(fā)現(xiàn)每個量子點僅由幾十到幾百個原子構(gòu)成。

　　Kiely說：“盡管有了如此先進的顯微鏡，我們依然在向前推進技術(shù)的極限。”該儀器使用十分精細的電子束掃描視野中的量子點，當(dāng)某個位置的原子阻擋了電子束，相應(yīng)的就會在熒光屏上出現(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，研究團隊面臨的一項挑戰(zhàn)是如何去除圍繞量子點的生物物質(zhì)。“我們曾試著去除量子點上面的有機殘余物，一旦去掉這些干擾，就能看到材料的真實結(jié)構(gòu)。”Keily說，“我們花了數(shù)月時間來解決這一問題。隨著我們對問題的理解更加深入，新材料的發(fā)現(xiàn)進度也得以加快了。”

　　這項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)家來說卻有點可怕。因為他們使用的是有潛在感染風(fēng)險的菌株。2016年5月，該團隊的最新研究發(fā)表在了美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）上。他們發(fā)現(xiàn)其實并不需要整株細菌，只需要細菌里的某個酶即可以生產(chǎn)出量子點。 這種酶主導(dǎo)了細菌合成量子點的生化反應(yīng)，因此當(dāng)前以細菌為基礎(chǔ)的量子點合成方法可被替代——只需使用酵母或其他簡單易操縱的細菌生產(chǎn)出這類酶，就能合成量子點。Berger說：“我們已有證據(jù)表明脫離細胞來合成量子點是可行的，這種方法僅使用純化的酶，降低了生產(chǎn)成本。”該研究團隊正在探索量子點的胞外生物合成方法，并有望將其實驗室成功擴展為未來的量子點生產(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，估計每個燒杯內(nèi)的反應(yīng)可以達到每升幾克的產(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)量子點或能用更便宜的成本制造出更好的電視和手機。

　　量子點已經(jīng)用于醫(yī)學(xué)成像，用來示蹤腫瘤和確診疾病。長遠來看，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。因為該技術(shù)是通過生物酶從水中分離重金屬來生產(chǎn)量子點，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量子點。”Mclntosh希望能夠發(fā)明一種量子點自組裝成宏觀結(jié)構(gòu)的方法，就像自然界中由單個無機納米粒子生長成軟體動物外殼的方式。“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自裝配成的太陽能電池，毫無疑問這將是一項驚人之舉。”