碳(矽)量子點助力植物光合作用

2020-11-25 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

撰稿 | 潘曉琴 雷炳富

編者按

近日，華南農業大學雷炳富教授課題組在《發光學報》發表了題為「」的論文。該工作通過生菜種植實驗，研究了螢光矽量子點作為葉面光肥提高生菜光能利用率的機理，驗證了矽量子點作為葉面光肥應用於生菜種植的可行性。

為使廣大發光同仁了解該課題組近年來在這一領域開展的相關工作，課題組應編者邀請撰寫了本篇報導。

01

導讀

非重金屬螢光量子點是一類新型的光致發光納米材料，具有物化穩定性好、毒性低、發光量子效率高、製備工藝簡單等獨特的優點，近年來受到人們的廣泛關注，已經在生物醫學、光電器件、傳感器、和光電催化等領域顯示出廣泛的應用前景。相比之下，在農業上的應用則較為滯後。得益於非重金屬螢光量子點的光學特性，通過調控其發光特性，可以將其作為光捕獲劑應用於植物光合作用上。雷炳富、劉應亮團隊自2013年起嘗試將不同螢光性能的碳、矽量子點作為光捕獲劑，通過拓寬植物光合作用的有效吸收光譜範圍，提高植物光合作用的光能利用率，至今取得一些初步結果，展現出此類螢光量子點在農業應用上的廣闊前景。

02

研究進展

針對螢光量子點在植物體內轉運、代謝等途徑，雷炳富、劉應亮課題組使用綠豆芽作為研究對象，發現紅光碳量子點可以被植物由根部吸收並通過非共質體途徑轉運至葉片，且綠豆芽對碳點的吸收速率大於對水分的吸收速率（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 19939. 影響因子8.758），為螢光碳、矽等量子點以水培形式促進植物生長，實現光捕獲劑功能奠定基礎。此外，將矽量子點加入到水培營養液中後，也能通過促進黃瓜水通道蛋白基因的表達，提高黃瓜對水分的吸收利用，從而達到促進植物的生長的目的（J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 1107. 影響因子5.344）。

圖1 紅光碳點在豆芽上的轉運途徑

圖2 紅光矽量子點促進黃瓜水通道蛋白基因表達

植物光合作用的有效吸光範圍位於紅藍光區，紫外區及遠紅外區的大量光譜難以被有效利用。因此，課題組以生物質黃柏粉為原料，一步水熱合成了在水溶液中呈現穩定紅藍雙發射的螢光碳點，較好匹配了葉綠體光合作用有效吸光範圍，增強了葉綠體對光能的利用率（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804004. 影響因子16.836）。該工作通過離體雜化試驗，證明了該碳點可用作光捕獲劑，提高葉綠體的光合作用效率，初步討論了螢光碳、矽量子點與植物光合作用互作的相關機理。

圖3 紅藍雙發射碳量子點提高光捕獲能力促進葉綠體光合作用

之後，課題組又通過製備不同單色螢光量子點，以生菜作為模式植物，研究了單色螢光量子點作為光捕獲劑促進植物光合作用的機理。包括PVA包裹藍光碳點作為葉面光肥的施用策略（ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 3938. 影響因子7.632）、紅光碳點的對光合作用的雙光增益效應（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 21009. 影響因子8.758）、高亮高光穩定性藍光矽量子點作為補光天線及其通過內濾效應提高光合電子傳遞速率的機理研究（Nanoscale, 2020, 12,155. 影響因子6.895；發光學報, 2020, 41, 863-872.）等。

圖4 PVA包裹藍光碳量子點提高生菜光能利用率

圖5 紅光碳量子點對葉綠體光合作用的光增益效應

圖6 藍光矽量子點作為補光天線，通過內濾效應促進生菜光合作用

03

展望

螢光量子點的光學特性能夠提高植物光合作用對光能的利用率，達到增產增質的目的，有望應用於一些特定光照條件下的農作物種植地區。雖然螢光量子點在農業上的應用已經展現出了巨大的潛力，但仍存在一些問題亟待解決。

首先，基礎理論方面，除作為光捕獲劑促進植物光合作用外，不同螢光量子點對不同植物生長的其它調控作用尚不明確。結合材料的特性，包括原材料的特性及表面官能團的修飾等，碳、矽量子點在提高植物不同脅迫條件下的抗性等方面也具有很大的研究價值。同時也需要從植物生理生化角度進行更為深入的機理研究。

其次，關於碳、矽螢光量子點在農業上的應用仍存在大片空白區待開發。一是在螢光量子點在太陽光下的光捕獲能力。目前大多試驗都是在人工可調環境下進行的，試驗光照條件為人工可調光源，能夠確保螢光量子點的光捕獲能力。但在太陽光照條件下開展的應用試驗較少，其真正的應用價值——實現農作物的增產，還需要通過大田試驗加以驗證。二是農作物品種的局限性。目前我們所看到的研究大多為生菜、黃瓜和綠豆等模式植物，螢光量子點在其它高經濟價值作物上的增益效應是否存在尚不明確。最後，儘管碳、矽量子點在小鼠等細胞研究上展現出低毒性，但是涉及到食品安全和人體健康，還是需要更為嚴謹、科學的毒性研究。

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原標題：《碳（矽）量子點助力植物光合作用》

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