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杨培东团队：半导体/生物复合体系分子尺度上的理解与展望 | CellPress论文速递
物质科学 Physical science 在全球气候变化以及各国政府陆续做出碳中和承诺的大背景下，将CO2高效转化为高附加值产物得到了产业界、学界前所未有的关注。液态阳光 (Liquid Sunlight) 可以看作是一种由太阳能转化成化学能并储存起来的新型化学能。自然界中，绿色植物和部分微生物利用太阳光将CO2转变为有机物，实现光能到化学能的转化。过去几十年间，电催化CO2还原至高附加值产物因电价的降低得到了深入的研究并取得了重大突破，但面临金属原料价格昂贵及催化剂制备工艺复杂等问题。因此，人工设计类生物的利用太阳光的CO2转化体系，是一条更为经济的理想路径。截至目前，利用半导体材料结合光电化学平台的CO2还原转化，产物大多为C1物种，且选择性不高。将半导体与微生物结合构建光半导体/生物复合体系（PBS），利用太阳光将CO2转化为多碳产物是一种全新且高效的方法，得到了广泛的研究。加州大学伯克利分校的杨培东院士团队近日在Cell Press旗下期刊iScience上对当前光半导体/生物复合体系的研究进行了总结与展望，分别阐述了复合体系中电荷转移路径及表征分析手段、用作光敏剂的纳米材料的选取准则、生物相容的半导体矿物等三个方面，并对细胞光敏化系统的未来发展提出展望。 Cell Press细胞出版社微信公众号对该文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。 ▲长按图片识别二维码阅读原文 在典型的半导体/生物复合体系中，半导体通常选用CdS等纳米颗粒，生物细胞一般采用自养型细菌，可以吸收光生电子实现包括CO2固定在内的细胞功能。因此，如何表征复合体系中界面电荷转移的路径对进一步构建更高效的转化体系至关重要。当前对半导体/生物复合体系中电荷转移及相关细胞功能的表征及分析方式主要包括三类（图一）：一是基于光谱学的表征，如瞬态吸收光谱（TA）及时间分辨红外光谱（TRIR）等，通过对电荷转移动力学的瞬态及时间分辨光谱表征判断电荷吸收的途径；二是对于光敏化细菌的遗传分析，细胞中不同的生理过程往往涉及到不同的基因表达，通过在分子水平上对遗传物质进行分析，可分辨出半导体/生物复合体系的反应路径；三是蛋白组学和代谢组学的分析，可用于在遗传分析的基础上进一步阐明特定的细胞代谢路径。 除了以上三种表征分析手段外，循环伏安测试、电化学阻抗谱及结合荧光指示剂的光学显微技术等手段也能用于复合体系中电荷转移路径及细胞作用方式的表征。突变筛选等生物技术也有望帮助确认特定反应路径是否由突变基因位点引起。从细胞水平乃至分子水平理解半导体/生物复合体系的界面相互作用有利于更好设计半导体纳米颗粒以匹配对象细胞的生理过程，实现反应效率的最大化。 图一 半导体/细胞复合体系中作用方式的的表征手段 纳米材料与生物体之间的非相容性，如细胞毒性等，一定程度上限制了半导体/生物复合体系的发展。建立起一套材料选取准则将有利于优化复合系统的光捕获能力和电荷转移过程。第一点是改善半导体纳米材料的光吸收性能。合理调控半导体带隙，使其在吸收光波长不损伤细胞结构的前提下与发挥生物功能的酶的能量范围相匹配。典型的半导体为硫化镉，而磷化铟等材料因其带隙在可见光区也被用作细胞光敏剂（图二）。第二点是调控纳米材料与细胞膜之间的相互作用。纳米材料的几何形貌与表面电荷均会影响其与细胞膜的作用，选取对细胞膜等结构具有亲和性但破坏较小的纳米材料至关重要。第三点是基于细胞内不同作用位置选择合适的光敏剂纳米材料。金纳米团簇倾向于被细胞内化，而CdS纳米颗粒则倾向于附在细胞膜，纳米材料与细胞的相对位置直接影响电荷转移路径。最后是选取微生物原位合成的生物纳米材料。这种方法利用生物矿化，可得到不影响细胞活性的纳米材料修饰的生物膜结构。 图二 典型光敏剂半导体的带隙位置 生物相容的半导体矿物被视为构建半导体/细胞复合体系的理想材料。细菌等微生物通过生物矿化作用合成半导体矿物，并使其附于细胞膜表面，或直接将自身进行自然界矿物的修饰或功能化，从而调节电荷转移过程。使用此类材料能避免细胞毒性等问题。 作者最后指出要解决半导体/生物复合体系用于太阳能至化学能转化面临的成本问题，一是要发展低成本、可再生、且不具细胞毒性的空穴捕获剂，二是降低半导体光敏剂的成本，如将矿物作为光敏剂。 综上，将半导体/细胞复合体系用于CO2转化至高附加值产物，还需进一步探究其作用机制，并对半导体纳米材料的选取进行优化，与此同时更多研究参与微生物电子输运的自然矿物，以解决体系的成本及生物相容性等问题。 杨培东 美国科学院院士 杨培东，纳米材料学家，美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，加州大学伯克利分校化学系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化学教授，上海科技大学物质学院创始人Founder。 1993年获得中国科技大学应用化学学士学位；1997年获得哈佛大学化学博士学位；1999年进入美国加州大学伯克利分校化学系任教，先后担任助理教授、副教授、终身教授；2001年至2004年连续获得美国阿尔弗雷德·斯隆奖；2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家；2004年获得美国材料学会青年科学家大奖，是第一位获得该奖的中国人；2007年获得美国国家科学基金会沃特曼奖；2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位，同时入选了10年中最优秀的100名材料科学家中第一位；2012年4月当选美国艺术与科学院院士。2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖。2016年5月当选美国国家科学院院士。 主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用，包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控。 相关论文信息 论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊iScience 上，点击“阅读原文”查看论文 ▌论文标题： Molecular insights and future frontiers in cell photosensitization for solar-driven CO2 conversion ▌论文网址： https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00920-2 ▌DOI：
▲长按图片识别二维码阅读原文 1974年，我们出版了首本旗舰期刊《细胞》。如今，CellPress已发展为拥有50多本期刊的全科学领域国际前沿学术出版社。我们坚信，科学的力量将永远造福人类。 CellPress细胞出版社 推荐阅读
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