南大团队研发近红外硫化银量子点，为构建高性能光热剂提供新途径

近年来，外界环境中的病原微生物对全球人类健康构成了巨大威胁，抗生素的滥用导致细菌耐药性增加，因此人类迫切需要新的抗菌手段。

这几年，凭借良好的生物相容性和便捷的制备方法，高效抗菌材料得到了学界的广泛关注。

目前，在化学合成和生物医学的应用上，近红外硫化银量子点已经取得了一系列重要进展。在生物传感、生物成像和疾病治疗诊断等细分领域里，这种新锐型纳米材料显示出巨大的应用潜力。

然而，鲜有研究探索硫化银量子点在水体消毒中的应用。同时，制备这种材料通常需要复杂的工艺与昂贵的试剂，这极大限制了相关研究和应用的开展。

利用生物大分子多肽，制备近红外硫化银量子点

多年来，南京大学魏炜副教授团队与该校赵劲教授课题组保持着长期合作，通过研究生物无机物种在生命过程中的化学基础和生物学功能，他们曾把金属酶催化的仿生模拟成功扩展到生物-无机杂化系统里。

图 | 魏炜（来源：魏炜）

而在近期一项工作里，他们又借助简易水相合成的方法，利用生物进化的仿生银结合肽，制备出近红外硫化银量子点，并将其作为一种新型光热纳米材料用在抗菌领域中，借此发展出近红外硫化银量子点在环境修复上的新功能近红外光照 25 分钟杀菌率达 99.06%。

结合硫化银量子点优异的光热特性和光催化特性，课题组希望可以进一步优化本次技术，拓展其在生物医学和环境修复等领域的应用。

（来源：Angewandte Chemie）

日前，相关论文以《用于快速光催化细菌消毒的NIR-II 发射硫化银量子点的肽介导水合成》（Peptide-mediated Aqueous Synthesis of NIR-II Emitting Ag2S Quantum Dots for Rapid Photocatalytic Bacteria Disinfection）为题发在 Angewandte Chemie（IF 16.8）上。

图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie）

孙培卿博士生是第一作者，南京大学魏炜副教授、南京鼓楼医院副主任医师邱旭升、南京大学赵劲教授担任共同通讯作者[1]。

为近红外材料的合成与应用带来参考

研究中，金属及其簇合物是生物无机化学一个重要的研究对象。在生物体内，金属及其簇合物能够作为金属酶的活性中心，起到电子传递、氧化还原等重要的生理功能。

因此，在生物相容条件下实现金属酶催化的仿生模拟，是化学生物学研究的重要课题之一。

而魏炜团队长期致力于将对金属酶催化的仿生模拟，扩展到生物-无机杂化系统里。这让该实验室在金属蛋白结构功能、以及金属配合物功能的改造上积累了丰富经验。

魏炜关注到，曾有其他实验室利用 DNA、氨基酸和蛋白质等生物大分子，合成了功能型金属纳米材料。受此启发以及基于课题组的已有成果，他和团队设想：能否利用金属结合蛋白或多肽作为配体来合成功能型纳米材料？

在自然进化的过程中，对于金属离子的特异性结合来说，金属蛋白有着得天独厚的优势，这为金属纳米材料的合成创造了有利条件和新的思路。

（来源：Angewandte Chemie）

为了弄清楚到底应该合成哪一种金属纳米材料，课题组也进行了大量调研。结果发现，具有近红外荧光的量子点——是一类新兴的具有独特光学特性的纳米材料。与可见光相比，近红外光具有更深的组织穿透性。

此外，近红外光还能有效地克服生物体自发荧光。这也意味着，在生物医学的应用里，近红外量子点拥有更大的应用潜力。

起初，该团队想尝试 PbS、HgSe 和 CdHgTe 等近红外量子点材料，但是这些材料里均存在有害的重金属离子，这会带来一定的生物毒性，并会限制它们的环境修复功能。

同样的，尽管 CuInS2、CuInSe2 和 AgInSe2 等量子点的毒性较低，然而它们通常需要在高温有机相中合成，不仅步骤繁琐、反应条件也十分苛刻，这也在一定程度上限制了它们的应用。

（来源：Angewandte Chemie）

考虑到潜在的生物累积和毒性以及发射效率，最终课题组选择了硫化银量子点。相比传统的近红外量子点，由于硫化银具备超低的溶度积常数，生物利用度极低。因此，近红外硫化银量子点具有更好的应用前景。

此前，对于硫化银量子点的研究，主要集中在合成和应用上。而通过参考相关文献，该团队从组合多肽库中选出一种特殊的银结合多肽，以此作为配体分子来合成硫化银量子点。

拿到银结合多肽以后，他们尝试了很多反应条件，一开始合成的都是一些肉眼可见的黑色大颗粒，根本无法产生近红外发射的效果。

当时，课题组认为是设计方案走不通，于是暂时将实验搁置一段时间。后来，他们继续调研文献，不断改进合成方法，并在不久之后重启实验。

通过修改反应条件、以及借助小动物活体成像仪的观察结果，他们终于迎来了胜利。具体来说，有一次他们在实验中生成了澄清透亮的棕色水溶液，初步判定可能是合成了硫化银量子点。

当时，大家的内心都很激动。接着，近红外成像结果证实，此次合成的硫化银量子点真的具有近红外发射特性。

不过，总体而言硫化银量子点的研究仍处于起步阶段，比如针对它在能源转化、催化和环境等领域的潜在应用的研究依然相对较少。

而魏炜团队此次探索硫化银量子点的合成策略以及抗菌应用，也是希望为近红外材料的合成与应用带来一定参考。后续，课题组将进一步优化实验调控，扩展纳米材料的应用场景。

（来源：Angewandte Chemie）

率队参加合成生物学顶级竞赛，累计斩获 7 枚金牌

另据悉，魏炜课题组曾获得国际基因工程机器大赛金牌、以及国际基因工程机器大赛最佳能源项目单项奖。

对于这些奖项，他表示：“2014 年起，我们团队每年都会指导本科生组队参加合成生物学领域的国际顶级学术竞赛——国际遗传工程机器设计竞赛（iGEM，International Genetically Engineered Machine competition）。”

自参赛以来，魏炜指导的南京大学本科生团队共获得 7 枚金牌、1 项最佳单项奖和 5 项最佳单项奖提名。

其中，2016 年该团队基于生物杂化催化的光合产氢项目，不仅在比赛中获得金牌，还获得了最佳能源项目的单项奖。

光合产氢项目，指的是基于纳米技术和合成生物学技术，构建出半人工的光合作用系统，从而用于氢气生产。

当下，化石燃料的过度消耗造出了全球范围的能源短缺危机和环境污染问题，这极大制约了社会的可持续发展。所以，迫切需要开发可再生清洁能源，以解决日益严重的能源危机和环境问题。

太阳能是地球上最丰富的能源，但却极其难以利用。为此，学界一直在尝试各种方法将太阳能转化为化学能。

结合上述背景，魏炜课题组通过构建基于模式微生物大肠杆菌的无机-生物杂化系统，将无机纳米材料的光捕获优势、与生物酶的高效催化活性相结合，借此提出一种新型半人工光合系统。

通过在大肠杆菌细胞表面展示金属蛋白，他们原位合成了具有半导体功能的硫化镉纳米颗粒，并利用无机多聚硅复合物诱导大肠杆菌的聚集，从而形成内部无氧的反应条件，进而保护大肠杆菌中过表达的氢化酶活性，最终在自然空气中实现了如下成果——利用无机-生物杂化系统，以光驱动的方式生产氢气。

基于大肠杆菌的人工光合产氢体系，该团队首次报道了利用展示在细菌外膜表面的金属蛋白原位合成硫化镉纳米颗粒的方法。对于该体系来说，它无需分离硫化镉纳米颗粒、也无需分离氢化酶，既简单又方便。

基于此，可以利用模式生物来俘获光能、传导光能和利用光能，从而为微生物的光能-化学能转化开辟一条新的道路，相关论文此前已发表在 Science Advances 上 [2]。

魏炜说道：“这项工作打破了该研究领域长期被国外课题组垄断的局面，为我们开展生物无机杂化催化体系的研究奠定了基础，论文一经发表就获得了国内外同行的正面评价。”

此外，魏炜还曾获得 2019 年度南京大学魅力导师奖、以及南京大学“仲英青年学者”的称号。

对于师生之间的相处他曾表示：“我和学生更多是以朋友相处。在科研上我秉持主要靠学生自觉的理念，老师只是起到指导的作用，再就是不要给学生太大压力。如果学生自己想躺平，我再怎么逼迫也没有用。因此，我的学生基本都是自己找文献、定方向，遇到问题大家就一起讨论，我会在大方向上提出一些建议。”

参考资料：

1.Peiqing Sun; Kunlun Li; Xiao Liu; Jing Wang; Xusheng Qiu*; Wei Wei*; Jing Zhao*; Peptide-mediated Aqueous Synthesis of NIR-II Emitting Ag2S Quantum Dots for Rapid Photocatalytic Bacteria Disinfection. Angew. Chem. Int. Ed. 2023

2. Wei, W.; Sun, P.; Li, Z.; Song, K.; Su, W.; Wang, B.; Liu, Y.; Zhao, J., * A surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air. Science advances 2018, 4 (2), eaap9253.