編譯李輝、李娟
校對李娟
不同於當前利用有毒溶劑、高溫高壓等條件的製備方式，生物合成量子點技術將使該行業朝著環保的方向發展，並能在保證產量的基礎上大大減少生產成本。使用生物技術合成結構材料，利用自然的方法製備功能無機材料，可為人類提供更環保的經濟發展空間。
過去的幾年，多家屏幕製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）原本打算在去年發布量子點屏幕的iMac。但隨後該公司改稱，因量子點的現有生產過程導致的環境毒性太大而放棄製造。三星（Samsung）公司的SUHD電視宣稱使用更加環保的量子點技術，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，因為現有的量子點製備技術耗費高且太複雜，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備。
近期，來自美國利哈伊大學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量子點。它們的技術方法僅需要一個步驟， 利用溶液環境下的細菌直接合成帶有不同功能特性的半導體納米顆粒。這種全新的綠色環保的量子點生產技術，將會在電晶體、太陽能電池、LED發光二極體、雷射器以及醫療成像等領域發揮巨大的潛在應用價值。
裝有量子點的小管在LED燈下可發出多種明快生動的色彩，使得量子點技術在平板屏幕顯示和醫用成像設備應用領域大有可為。（圖片來源：Christa Neu/Lehigh University）
早在2012年，該校化學與生物分子工程系的副教授BryanBerger就試圖藉助一種具有重金屬抗性的菌株——嗜麥芽寡養單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)——來生產量子點。2011年，賓夕法尼亞州的醫護人員發現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受損的患者，很少抗生素可殺死它。醫護人員請醫院附近的化學工程師Berger幫助找出該細菌嗜金屬的原因。Berger的發現讓他倍感驚奇，這種微生物似乎是能吃進金屬表面的電荷，並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，但他所觀察到的現象帶給他啟發和思考：這類能吐出金屬的細菌，是否可被改造為生產小晶體的機器呢？
為此，Berger組建了一個研究團隊，包括同系副教授Steve McIntosh、材料科學和工程系資深教授Chris Keily、生物系教授Robert Skibbens，還有雪城大學化學系助理教授Ivan Korendovych。在利哈伊大學教師創新基金（FIG）和聯合研究基金（CORE）兩個項目的資助下，團隊成員積累了前期的研究基礎。2013年，他們又從美國國家基金會的研究創新新型前沿領域（EFRI）申請到了一項200萬美元的研究經費，研究如何通過基因改造的寡養單胞菌（Stenotrophomonas）來製造硫化鎘量子點。
Berger提到：「使用生物學方法的美妙之處在於它大大削減了製造量子點的需求成本，減少了對環境造成的危害，縮短了量子點的生產時間。」 傳統的工業生產方法需要花很多時間用於生長晶體，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境中生產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。由於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應用於生產鉛硫量子點和氧化物材料上，擴展了生物合成量子點的應用範圍。這種技術的基理使得研究人員可將量子點的粒徑控制在納米級，並且由於量子點的粒徑決定了它的光電特性，進而也可控制量子點的功能。而這樣的細胞合成技術僅需要生化實驗室的一些基礎設備便可實現。 研究人員通過一種叫做定向演化（ directed evolution）的生物技術來改造細菌，讓它能夠選擇性地生產量子點。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。細菌在這種環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，並控制生成物的結構以形成晶體，從而製造出量子點。
嗜麥芽寡養單胞菌（圖片來源：Manasee Wagh /Lehigh University）
為使該方法更加完善，當量子點合成出來後，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構。研究人員藉助利哈伊大學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構和成分，它們發現每個量子點僅由幾十到幾百個原子構成。
Kiely說：「儘管有了如此先進的顯微鏡，我們依然在向前推進技術的極限。」該儀器使用十分精細的電子束掃描視野中的量子點，當某個位置的原子阻擋了電子束，相應的就會在螢光屏上出現一種陰影圖像，就像是物體擋住光線後在牆上出現的陰影。數位相機用於記錄納米晶體經過高度放大後的原子解析度圖像，以用於後續分析。
早期研究中，研究團隊面臨的一項挑戰是如何去除圍繞量子點的生物物質。「我們曾試著去除量子點上面的有機殘餘物，一旦去掉這些幹擾，就能看到材料的真實結構。」Keily說，「我們花了數月時間來解決這一問題。隨著我們對問題的理解更加深入，新材料的發現進度也得以加快了。」
這項工作刊登在綠色化學期刊（Green Chemistry）上，並被選為2015年7月刊的當期封面。這項發現對工程師來說的確令人振奮，但對於醫學科學家來說卻有點可怕。因為他們使用的是有潛在感染風險的菌株。2016年5月，該團隊的最新研究發表在了美國國家科學院院刊（PNAS）上。他們發現其實並不需要整株細菌，只需要細菌裡的某個酶即可以生產出量子點。 這種酶主導了細菌合成量子點的生化反應，因此當前以細菌為基礎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出這類酶，就能合成量子點。Berger說：「我們已有證據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，降低了生產成本。」該研究團隊正在探索量子點的胞外生物合成方法，並有望將其實驗室成功擴展為未來的量子點生產企業。
Mclntosh提到：「研究人員希望建立一家低成本且環保的量子點生產公司。傳統的生產成本在每克1000到10000美元，而生物合成的生產方式可以將成本削減至少10倍。並且，估計每個燒杯內的反應可以達到每升幾克的產量。」
紫外線照射下的玻璃器皿裡面，量子點可發出彩虹光譜中的所有色光。用生物方法生產量子點或能用更便宜的成本製造出更好的電視和手機。（圖片來源：Christa Neu/ Lehigh University）
量子點已經用於醫學成像，用來示蹤腫瘤和確診疾病。長遠來看，利哈伊大學的三位同事希望他們的技術可以拓寬量子點未來的應用領域，比如用於更加環保的生產甲醇，或者可在汽車、取暖及發電中使用的綠色環保燃料。因為該技術是通過生物酶從水中分離重金屬來生產量子點，其或還可用於水淨化和金屬回收。
「我們還想創建不同類型的功能材料，製造大尺寸功能性材料以及單個量子點。」Mclntosh希望能夠發明一種量子點自組裝成宏觀結構的方法，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將技術延伸到宏觀，如果我們能夠製造出更多的材料，並且在維持其核心功能的基礎上控制它的結構，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。」
參考文獻
1. Quantum dots by nature. March 16 2016
http://www.lehigh.edu/news/quantum-dots-nature
2. How a Mysterious Bacteria Almost Gave You a Better TV
http://www.nytimes.com/2016/05/06/science/quantum-dots.html
3. Single-enzyme biomineralization of cadmium sulfide nanocrystals with controlled opticalproperties
http://www.pnas.org/content/113/19/5275.abstract
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賽先生由百人傳媒投資和創辦，文小剛、劉克峰、顏寧三位國際著名科學家擔任主編，告訴你正在發生的科學。上帝忘了給我們翅膀，於是，科學家帶領我們飛翔。
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