低温光合成系统

基于太阳光开展能源转化和工业生产，是解决全球能源危机、助力我国实现“双碳”目标的重要路径之一。太阳光中蕴含着大量的红外光子，这些光子不为人眼所见，且能量较低，通常难以有效转化和利用。胶体量子点是一类溶液法生产的理想捕光材料，它们的吸光范围很容易被拓展至红外波段。同时，吸光后的激发态量子点能够参与丰富的光化学转化过程，生产太阳燃料或者精细化学品，是国际上的重要科学前沿。近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）研究员吴凯丰团队在量子点光化学研究中取得重要进展。团队率先实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见上转换，并将该体系与有机光催化融合，实现了高效快速的太阳光合成，有望对光合成技术产生深远影响。相关成果发表在《自然-光子学》上，共同第一作者是大连化物所博士梁文飞、聂成铭和副研究员杜骏。利用低毒性量子点开展近红外光子上转换和有机催化合成红外光到可见光的上转换在能源、医学、国防等诸多领域具有重要意义。比如对太阳能电池而言，上转换能使器件可以有效利用阳光中大量的低能量红外光子，颠覆性地提升太阳能转换效率。在各类上转换技术中，基于有机分子三线态湮灭的光敏化技术可对非相干、非脉冲光源实现上转换，具有较强的实用前景。然而，此前报道的近红外光敏剂普遍效率较低或含有贵金属和有毒金属，相对廉价环保的高效近红外光敏剂仍有待开发。前期工作中，团队深入系统地研究了量子点敏化有机分子三线态的动力学机制，并探索了这些新机制在光子上转换、有机光合成等领域的初步应用。此次研究中，团队聚焦于CuInSe2基近红外量子点，该类量子点相对绿色环保，可用于替代剧毒性的铅基近红外量子点。团队制备了ZnS包覆的Zn掺杂CuInSe2核壳量子点，有效解决了该类量子点缺陷多和稳定性差的难题。随后，在量子点表面修饰羧基化的并四苯分子作为三线态受体，并采用红荧烯分子作为湮灭剂，构建了溶液相上转换体系。该体系成功实现了近红外至黄光的上转换，量子效率高达16.7%。进一步地，团队将该上转换体系与有机光催化融合，将上转换产生的红荧烯单线态直接用于“原位”有机氧化、还原、光聚合等反应，巧妙避免了上转换光子传播至溶液表面所经历的量子点重吸收损失。此外，得益于近红外光子的有效利用和量子点的宽谱吸收特性，该上转换-有机催化融合体系可在太阳光下高效快速运行。在室内窗台上（光照强度约32 mW cm-2），几秒内即可实现丙烯酸酯的光诱导聚合。“一个世纪以来，在阳光下进行有机合成是许多科学家的想法，但前期的探索主要局限于利用太阳光中的可见光子。”吴凯丰说，“这项研究将太阳能合成的范围扩大到了阳光中丰富的可见光和近红外光子，将有力地推动光合成技术的发展。”该工作不仅实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见高效上转换，还发展了一种高效快速太阳光合成的新路径。这一交叉创新型研究成果对光化学和光合成技术的发展具有重要意义。

中国科学院大连化学物理研究所发布消息称，该所吴凯丰研究员团队近日在量子点光化学研究中取得重要进展。团队率先实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见上转换，并将该体系与有机光催化融合，实现了高效快速的太阳光合成。相关成果发表在《自然-光子学》上。基于太阳光开展能源转化和工业生产，是解决全球能源危机的重要路径之一。太阳光中蕴含着大量的红外光子，红外光到可见光的上转换在能源、医学、国防等诸多领域具有重要意义。比如对太阳能电池而言，上转换能使器件可以有效利用阳光中大量的低能量红外光子，颠覆性地提升太阳能转换效率。然而，近红外光敏剂普遍效率较低或含有贵金属和有毒金属，相对廉价环保的高效近红外光敏剂仍有待开发。据介绍，前期工作中，团队深入系统地研究了量子点敏化有机分子三线态的动力学机制，并探索了这些新机制在光子上转换、有机光合成等领域的初步应用。此次研究中，团队聚焦于铜铟硒(CuInSe2)基近红外量子点，该类量子点相对绿色环保，可用于替代剧毒性的铅基近红外量子点。此外，得益于近红外光子的有效利用和量子点的宽谱吸收特性，该上转换有机催化融合体系可在太阳光下高效快速运行。在室内窗台上几秒内即可实现丙烯酸酯的光诱导聚合。“一个世纪以来，在阳光下进行有机合成是许多科学家的想法，但前期的探索主要局限于利用太阳光中的可见光子。”吴凯丰说，这项研究将太阳能合成的范围扩大到了阳光中丰富的可见光和近红外光子，将有力地推动光合成技术的发展。吴凯丰表示，该工作不仅实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见高效上转换，还发展了一种高效快速太阳光合成的新路径。这一交叉创新型研究成果对光化学和光合成技术的发展具有重要意义。

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点光化学研究中取得新进展，实现了低毒性量子点敏化的近红外光至可见光的上转换，并将该体系与有机光催化融合，实现了高效快速的太阳光合成。红外光到可见光的上转换在能源、医学、国防等诸多领域具有重要意义。例如，对太阳能电池而言，上转换能使器件有效利用阳光中大量的低能量红外光子，颠覆性地提升太阳能转换效率。在各类上转换技术中，基于有机分子三线态湮灭的光敏化技术可对非相干、非脉冲光源实现上转换，具有较强的实用前景。然而，此前报道的近红外光敏剂普遍效率较低或含有贵金属和有毒金属，相对廉价环保的高效近红外光敏剂仍然有待开发。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。在超快光化学领域，团队深入系统研究了量子点敏化有机分子三线态的动力学机制，并探索了这些新机制在光子上转换、有机光合成等领域的初步应用。在这些前期基础之上，团队开发了CuInSe2基量子点，用于替代剧毒性的铅基近红外量子点，实现三线态敏化和近红外上转换。本工作中，团队首先制备了ZnS包覆的Zn掺杂CuInSe2核壳量子点，有效解决了该类量子点缺陷多和稳定性差的难题。团队在量子点表面修饰羧基化的并四苯分子作为三线态受体，并采用红荧烯分子作为湮灭剂，构建了溶液相上转换体系。时间分辨光谱研究表明，该类量子点的光生电子和空穴都会在皮秒尺度被局域在量子点本身的缺陷位点。该局域化电子—空穴对仍然能够在纳秒尺度传递至量子点表面的并四苯分子，高效生成自旋三线态，并进一步传递至溶液中的红荧烯分子，进行三线碰撞湮灭。该体系实现了近红外至黄光的上转换，量子效率高达16.7%。此外，团队进一步将该上转换体系与有机光催化融合，将上转换产生的红荧烯单线态直接用于“原位”有机氧化、还原、光聚合等反应。该设计巧妙避免了上转换光子传播至溶液表面所经历的量子点重吸收损失。此外，得益于近红外光子的有效利用和量子点的宽谱吸收特性，该上转换—有机催化融合体系可在太阳光下高效快速运行。在室内窗台上(光照强度约32 mW cm-2)，几秒内即可实现丙烯酸酯的光诱导聚合。该工作不仅实现了低毒性量子点敏化的近红外至可见高效上转换，还发展了一种高效快速太阳光合成的新路径。这一交叉创新型研究成果对光化学和光合成技术的发展具有重要意义。相关成果以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”为题，于近日发表在《自然—光子学》(Nature Photonics)上。该工作的共同第一作者是我所1121组梁文飞、聂成铭博士、杜骏副研究员。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、我所创新基金等项目的支持。

1. 文章信息标题：Efficient benzaldehyde photosynthesis coupling photocatalytic hydrogen evolution 中文标题： 有效光合成苯甲醛耦合光催化析氢页码：52-60 DOI：10.1016/j.jechem.2021.07.0172. 期刊信息期刊名：Journal of Energy Chemistry ISSN：2095-4956 2021年影响因子9.676 （2022年影响因子：13.599） 分区信息：中科院一区TOP 涉及研究方向：综合性期刊 3. 作者信息：第一作者是 华东师范大学罗娟娟 。通讯作者为 中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士、华东师范大学陈立松副教授。4. 光源型号：CEL-HXF300E7光功率计型号：CEL-NP2000文章简介：为应对严峻的能源和环境危机，各国不断加大开发清洁和可再生能源的力度。氢气(H2)作为一种能量密度高、最有发展前景的可再生绿色能源引起了广泛关注。然而，迄今为止，传统的蒸汽甲烷重整制氢仍是制氢的主要方式，这导致了巨大的能源消耗和严重的温室气体排放。自1972年Fujishima和Honda首次报道在TiO2电极上光电化学分解水以来，光催化水裂解制氢一直被认为是将太阳能转化为化学能的潜在方法之一。然而，析氧反应(OER)动力学迟缓是水裂解的另一种半反应，已成为光催化水裂解商业化应用的最大障碍之一。同时，O2价值较低，在光催化水裂解过程中不可避免地会混入H2，存在潜在的爆炸风险和分离困难问题。为了克服这些，牺牲试剂如乳酸、抗坏血酸、三乙醇胺、甲醇、甘油、乙醇和Na2SO3/Na2S被用来抑制OER，通过消耗光产生的空穴并加速H2的产生，在此过程中这些牺牲剂被氧化。遗憾的是，这样的策略会大大增加制氢的总成本，并不能充分利用光生空穴的氧化能力。综上所述，寻找促进析氢反应(HER)的新策略具有重要意义。光合成是一种传统的利用可再生太阳能作为能源的方法，具有光能直接转化为化学能、反应路径短、不受苛刻的反应条件和有机试剂的影响等优点。为在温和的反应条件下合成药物、精细化学品和高附加值产品提供了一条绿色、清洁的途径。选择性氧化是继聚合反应后的第二大工业工艺，占化学工业总产量的30%，近年来在光合成领域引起了广泛关注。在众多的选择性氧化反应中，芳香醇转化为相应的醛被认为是最重要的官能团转化过程之一。此外，醛是一种高价值的中间体，用于有机合成广泛的化学物质，如糖果香精、染料、香水和药物。传统的醛类合成需要化学计量氧化剂，如铬酸盐、高锰酸盐等，具有剧毒、强腐蚀性，造成严重的环境问题。并极大地阻止了它们的大规模应用。然而，大多数基于光催化材料的醛的光催化合成，尽管比传统的合成方法更加环保，但都是在有机溶剂中操作或在以氧气作为一种温和氧化剂存在的情况下进行的，因此仍然存在光生电子还原能力浪费，环境不友好和效率低下的问题。因此，采用无氧化剂(或无O2)光合成的方法在水介质中氧化芳香醇选择性合成芳香醛将是最理想的环保工艺，具有重要意义。在该策略中，芳香醇氧化制取有价值化学品的过程不是简单的牺牲剂消耗，而是以高效氧化制取有价值化学品为主，并与制氢结合，尽管有众多优点但这仍然是一个巨大的挑战一种高性能的光催化氧化芳香醇并促进产氢的光催化剂是上述策略的前提。本文采用两步水热法合成了一种高效的非贵金属双功能光催化剂，NiS纳米颗粒修饰CdS纳米棒复合材料(NiS/CdS)。该催化剂对在水溶液和无氧气氛围下光合成苯甲醛同时促进产氢具有高效的活性，这归因于NiS和CdS间的协同作用。最优的光催化30% NiS/CdS在可见光照射下有显著的光催化产氢速率和苯甲醛合成速率分别为207.8μmol h-1, 163.8μmol h-1，比单独硫化镉性能高139和950倍。该研究极大地利用光产生的空穴和电子用于生产高附加值精细化学物质和氢气，因此在绿色可再生能源技术的发展及光催化合成领域中具有重要的意义。

2012年10月3日成立的日本人工光合成化学工艺技术研究组合(ARPChem)受日本经济产业省的委托，开始推进“清洁可持续化学工艺基础技术开发(革新性催化剂)”项目，并于2012年12月1日举行了成立仪式。　　日本经产省将从平成24年度(2012年度)起在10年内共向ARPChem提供约150亿日元(预计)做为项目研发资金，用于确立作为人类梦想的人工光合成化学的基础技术。　　ARPChem由国际石油开发帝石、住友化学、富士胶片、三井化学、三菱化学5家企业以及精细陶瓷研究中心(JFCC)1家研究机构组成。另外，这些单位还将与东京大学及东京工业大学等6所大学展开共同研究，目标是确立人工光合成化学的基础技术。该项目的负责人由东京大学理事、副校长辰巳敬担任。　　“清洁可持续化学工艺基础技术开发(革新性催化剂)”项目就是要实现能像植物一样，以水(H2O)和二氧化碳(CO2)等为原料，合成出复杂的有机物。具体来说，就是利用能被阳光激发活性的光催化剂，把H2O分解成氢气(H2)和氧气(O2)，并用氢分离膜对获得的H2和O2进行高纯度分离处理。与此同时，利用新催化剂将CO2变为CO等。最后，以高纯度H2和CO为原料气体来合成碳数为2～4的烯烃类原料(乙烯、丙烯等)，用作塑料原料。在上述这些反应中，各种高功能及高性能的催化剂的实用化是关键。　　目前，塑料的原料是源自石油的石脑油，如果能使上述各反应实现实用化，便可使塑料原料摆脱对石油的依赖。该项目的目标是在2030年，使塑料原料所用石脑油的17%被人工光和作用合成的材料替代。另外，日本化工厂商通过确立可同时解决资源问题和环境问题的人工光合成化学基础技术并开展相关业务，还有望提高国际竞争力。　　技术开发项目大致由3大基础技术的开发构成。第一项课题是使利用阳光将水高效分解为H2和O2的高性能光催化剂(包括助催化剂)实现实用化。技术研究组合理事长菊地英一(早稻田大学名誉教授)分析说，“现行光催化剂的分解效率仅为0.2～0.3%，要想使这一效率在10年内跃升至10%，恐怕要在科学方面有出色的‘发现’才行，比如说找到革新性的原理，等等”。菊地还表示，为了解决这一难题，“已经从企业和大学抽调超一流的研究人员集中到技术研究组合，组成了‘梦之队’”。　　使高性能光催化剂实用化并模块化的技术开发由国际石油开发帝石、富士胶片、三井化学及三菱化学负责，同时由东京大学、京都大学及东京理科大学通过共同研究提供支援。　　第二项课题是对通过分解H2O而获得的H2和O2进行高效且高纯度分离处理的氢分离膜的实用化和模块化。相关技术开发由三菱化学和精细陶瓷研究中心负责，并与名古屋工业大学和山口大学展开共同研究。高效氢分离膜方面，计划实现以沸石、硅石及碳素为基础材料的膜材料实用化。　　第三项课题是对以H2和CO为原料来合成碳数为2～4的烯烃类原料的工艺进行优化，并通过小型中试工厂进行验证，以确立开展业务运作的基础。相关技术开发由三菱化学和住友化学负责，与东京工业大学和富山大学进行共同研究。计划在10年后，即该项目的最后一年确立小型中试工厂规模的合成工艺。

通过人造材料，进行与自然界光合作用相似的化学反应，利用阳光、二氧化碳和水生成人类所需物质，是长期以来的梦想。然而，这种人工光合成体系进行应用尝试时，面临挑战，关键在于如何利用太阳光中低能量的光子。红外光是太阳光谱中典型的低能光子，在太阳光谱中占比达53%。通常的半导体光催化技术只能利用紫外区和可见区的光子来驱动化学转化，制约了太阳能利用效率。近年来，国际上的等离激元催化研究团队提出利用金属纳米材料的等离激元效应来驱动催化反应的思路，以期解决半导体光催化面临的瓶颈。等离激元金属纳米材料具有吸收低能光子的能力，却难以将吸收的能量有效地利用到催化反应中去，导致化学转化活性很低。中国科学技术大学教授熊宇杰研究团队针对等离激元催化的机制问题，开展了近十年的研究(Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 3205；Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 2425；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6822；J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7807；Adv. Mater. 2022, 34, 2202367)。近日，熊宇杰/龙冉研究团队设计了一类等离激元催化材料，发现其独特的界面耦合态直接电子激发机制，实现了可见光区和红外光区二氧化碳与水的高选择性转化。该技术使用广谱低强度光，甲烷产率高达0.55 mmol/g/h，碳氢化合物的产物选择性达100%，是目前光驱动二氧化碳资源化利用的最高纪录。相关研究成果发表在《自然-通讯》(Nat. Commun. 2023, 14, 221)。该团队聚焦二氧化碳与水的转化反应，基于等离激元材料的催化活性位点设计，形成金属与二氧化碳分子的有效杂化耦合体系。研究通过一系列工况条件下的谱学表征，发现在等离激元的局域电场增强效应下，其费米能级之上会出现准离散的陷阱态，有助于发生热电子的直接激发过程，并通过延长热电子寿命而发生二次激发过程，从而实现高效多光子吸收和选择性能量转移。基于该作用机制，所设计的材料在可见光区和红外光区范围内，皆可驱动二氧化碳与水高选择性转化为碳氢化合物。有鉴于等离激元催化的多光子吸收特点，该团队设计优化了反应装置，实现了散射光子的高效吸收，从而突破了当前光驱动二氧化碳资源化利用领域的瓶颈。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金国家杰出青年科学基金项目/优秀青年科学基金项目、中科院战略性先导科技专项(B类)等的支持。天津大学、安徽师范大学、合肥光源等的课题组参与研究。中国科大在红外人工光合成领域取得进展

项目编号：OITC-G220321516、OITC-G220321517、OITC-G220321518项目名称：中国科学院武汉植物园高通量水分含量图谱检测仪等采购项目采购方式：竞争性磋商预算金额：375.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：375.0000000 万元（人民币）采购需求：1、采购项目的名称、数量：包号货物名称数量（台/套）是否允许采购进口产品采购预算（万元人民币）1高通量水分含量图谱检测仪1套是852高通量全波段光合成像仪1套是1603可见光高光谱分析检测仪2套是130供应商须以包为单位对该包中的全部内容进行响应，不得拆分，不完整的报价将被拒绝。竞争性磋商及评审、推荐成交供应商以包为单位。2、技术要求详见公告附件。合同履行期限：详见采购需求。本项目( 不接受 )联合体投标。

2023 年 5 月下旬，对于田佳来说是忙碌且有意义的一个初夏。在短短一周之内，他相继在 Nature Catalysis 和 Nature Materials 上发表两篇论文。目前，他在中科院上海有机所担任研究员。图 | 田佳（来源：田佳）利用超分子手段，拓宽对自然光合作用体系的理解5 月 18 日，第一篇论文发表在 Nature Catalysis 上。研究中，他和合作者利用超分子手段模拟自然光合作用，探索构筑新型的人工光合体系。光合作用被认为是地球上最重要的化学反应过程，为生命体提供着最基本的物质与能量来源。然而，由于天然光合系统通常需要兼顾诸多生命过程，且催化中心数量有限并距离光敏系统较远，导致"光能-化学能"转化的整体量子效率偏低。通过化学手段模拟光合作用中的关键基元，构筑光能转化效率更高的人工光合系统，有可能为缓解能源环境危机、降低碳排放提供新的理论和技术支撑。在复旦大学攻读博士学位期间，田佳师从该校的黎占亭教授。那时，前者主要从事超分子有机框架材料的研究。更早之前，黎占亭在芳酰胺大环、以及折叠体和分子识别等领域的工作，给田佳带来了重要启发。于是，后者萌生了将高强材料凯夫拉结构中的寡聚芳酰胺片段嫁接到天然卟啉两亲分子上，进而构筑人工光合组装体的想法。后来，田佳根据天然光合紫色细菌的球形色素体结构，设计了两亲性的三嵌段卟啉基分子单体。（来源：Nature Catalysis）令人惊喜的是，利用这一方法不仅在水中得到了尺寸分布均一的球形组装体，而且组装体表面具有环形的卟啉阵列亚结构。对于通过超分子组装体来模拟生物特定功能和结构来说，这是一次极其重要的突破。在性能上，这种球形组装体不仅展现出光收割"球形天线"效应，同时具有良好的抗光漂白性质和优异的结构稳定性，为超分子光催化体系的光敏剂选择提供了新的解决方案。（来源：Nature Catalysis）受天然光合紫色细菌球形色素体结构的启发，课题组设计了三嵌段卟啉基的两亲分子，并引入寡聚芳酰胺片段以便增强组装体结构的稳定性。合成关键分子之后，他开始进行超分子组装体的构筑和表征。通过亲疏水作用、氢键作用和π-π堆积作用，这种单体分子可以在水中自发组装形成球形纳米胶束组装体。通过增加芳酰胺片段的长度、提高分子间的氢键数量，可以构筑粒径更大、性质更稳定的组装体。在化学、材料等科学研究中，纳米结构表征占据十分重要的位置。在 Nature Catalysis 发表的这篇论文中，透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜以及同步辐射小角 X 射线散射的观测结果显示：组装体呈现出尺度均一的球形结构。但是，更精细的组装亚结构表征，需要通过高分辨扫描透射电镜、原子力显微镜、冷冻电镜等手段实现。借助冷冻电镜单颗粒分析技术，田佳等人观察到球形组装体表面存在直径 4.2nm 左右的环形卟啉阵列，这为进一步研究催化性能及其构效关系奠定了基础。完成超分子组装体的构建之后，则要进行光催化实验和机理研究。这时，课题组根据球形胶束表面的环形卟啉阵列呈正电性，有目的地选择了合适的 Co 基卟啉催化剂。在水溶液中，催化剂具有阴离子形式，因此可以通过静电相互作用拉近其与正离子型卟啉环形阵列的空间距离，从而提高电子传输效率；且催化剂的尺寸约为 3-4 nm，略小于环形卟啉阵列的直径（4.2 nm），这也促进了催化剂与环形阵列的对接。另外，在催化过程中，好的催化剂不仅能降低反应活化能，也与反应底物二氧化碳具有一定的结合能力。同时，当生产最终目标产物 CH4 的时候，好的催化体系还能具有良好的脱附能力。基于此，该团队选用四（对磺酸苯基）卟啉-Co 配合物（TSPP-Co）为催化剂构筑人工光合体系，该体系在优化条件下表现出光促 CO2 至 CH4 转化的高催化效率与高产物选择性。同时，在描述反应机理时，他们提出"纳米围栏"以及"球形天线"效应，上述效应使光生电子高效地注入催化位点，进而带来高效的二氧化碳催化转化。当人工光合作用遇见超分子自组装生命过程离不开超分子自组装，光合生命以脂质和蛋白为骨架，可以对捕光复合物和反应中心进行精确定位，并能有序排列形成精妙的多级自组装结构，比如紫菌的色素体、高等植物的类囊体等。这些优雅的超分子组装体表现出高效的光捕获、精确的电子转移和选择性催化功能。而在人工光合领域，超分子自组装的好处在于可以让人们"自下而上"地构筑光合材料，比如将单体分子组装为纳米复合结构。另外，通过优化结构设计，还能提高能量转移和电子传递的效率。同时，超分子自组装能将不同的功能模块组装在一起，借此形成复合材料，从而打造多功能的人工光合系统。另外，超分子自组装还具有可逆性和修复性的特点，能对人工光合材料的长期稳定性和可持续性起到重要作用。如前所述，光合作用为生命提供了物质和能量。针对人工光合作用的研究一般主要关注：如何使用人工方法来模拟自然光合作用过程，将太阳能转化为化学能并进行储存。具体来说，该领域的研究主要集中在以下几个方面：其一，光吸收和能量转化。即设计和合成可以高效捕获太阳能的材料，让这些材料高效地吸收光能，并将不同波长的太阳光转化为可利用的能量。其二，电子传递。即研究光激发态中电子的传输过程，包括电子在光吸收材料内部和不同受体之间的传递，以便设计高效的电子传输路径，从而最大限度地提高能量转换效率。其三，光化学反应。即研究光激发态中的化学反应，例如使用光能来分解水或还原二氧化碳，寻找能够有效催化这些反应的催化剂，以便实现可控的太阳能转化。由此可见，针对人工光合作用的研究，主要目标是通过模仿自然光合作用的原理和过程，开发高效可持续的太阳能转化技术。而超分子自组装，是指分子通过非共价相互作用比如氢键、疏水作用等，自发地形成复合结构的过程。对构建结构精确可控的光合材料，超分子自组装也能提供有益的启示。基于这些原因，课题组将超分子自组装和人工光合作用加以结合，最终完成了 Nature Catalysis 这篇论文。5 月 18 日，相关论文以《人工球形色素体纳米胶束用于水相选择性CO2还原》（Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO2 reduction in water）为题发在 Nature Catalysis 上 [1]。于军来和 Huang Libei 是论文的共同第一作者；田佳研究员、香港城市大学叶汝全教授、香港大学大卫李菲利普斯（David Lee Phillips）教授、以及江苏大学杜莉莉教授担任共同通讯作者；中科院上海有机所是论文的第一完成单位。图 | 相关论文（来源：Nature Catalysis）在这篇论文发表四天之后，由田佳担任第一作者的另一篇论文发表在 Nature Materials 上。总体来看，这两篇论文都和超分子自组装有关。而在 Nature Materials 这篇论文里，则更进一步地探索了高分辨冷冻电镜技术在溶液相自组装领域的应用。提出基于溶剂化纳米纤维的分子模型具体来说，在 Nature Materials 这篇论文中，研究人员提出了溶剂化纳米纤维的详细分子模型。研究中，该团队使用高分辨的冷冻电镜作为主要研究手段。在冷冻电镜中，样品被冷冻在液氮温度下（约-196 摄氏度），这时可以形成一种名为玻璃态的固体状态，从而让分子保持在自然状态下的结构和构象。在传统电子显微镜技术的样品处理过程中，通常需要在干态下制样，由此可能会引起结构破坏和伪影。而采用高分辨冷冻电镜可以避免上述不足。通过收集不同角度和焦平面的电子图像，就能用计算算法对图像进行处理和重建，从而获得高分辨率的三维结构信息。研究中，针对嵌段共聚物所形成的线性纳米胶束，课题组将高分辨冷冻电镜用于溶液相表征中，借此获得关于结晶的高分子精确结构信息、以及晶格堆积方式。对于溶剂化的高分子链段，也可以通过冷冻电镜获得它在溶液相中的原位结构信息。凭借这些关键的结构信息，研究人员得以通过分子模拟的方式，针对嵌段高分子在溶液相形成的一维线性组装结构，进行分子尺度上的解析。期间，利用冷冻电镜观测到的晶格参数等关键信息，该团队对结晶核区之内的高分子链折叠方式和堆积方式进行了解析。此外，通过测量高分子链段的组装长度和排列方式，他们发现溶剂化区域的高分子链段在溶液相组装时，会采用螺旋形的发散排列形式。在 Nature Materials 这篇论文中，课题组还制备了溶液相分散的纳米纤维组装体。通过活性结晶驱动自组装，让线性纳米纤维的构筑和长度得到控制，而这一过程主要依赖以下几个因素：其一，分子设计。所设计的分子必须拥有合适的结构和功能单元。以嵌段高分子为例，这类高分子单体通常拥有两类高分子链段，即疏溶剂的结晶"核区（Core）"和亲溶剂的分散"晕区（Corona）"，这可以促进分子在溶液中的结晶和有序组装。同时，所设计的分子必须具有弱相互作用，以便在晶体生长过程中实现动态调控。其二，晶体生长条件。通过调节晶体的生长条件，例如溶液浓度、温度、溶剂选择等，可以控制纳米纤维的生长速率。同时，通过调节这些条件，还能对分子聚集行为和晶体生长动力学产生影响，从而实现纤维的构筑、以及长度的控制。其三，动态调控。活性结晶驱动自组装的一大优势在于，它可以在晶体生长过程之中，对分子进行动态调控和重排。通过控制分子结构或者引入其他功能分子，可以在纳米纤维中引入特定结构或功能单元。这样一来，纳米纤维的构筑和长度控制，也会更加灵活和可控。研究"利器"：GW4 高分辨电子冷冻显微镜另据悉，在具备一定选择性的溶剂条件之下，嵌段高分子单体的"核区（Core）"可以自发地形成晶核，并通过"种子生长（Seeded-growth）"的方式实现线性组装。而在同样的条件之下，亲溶剂的"晕区（Corona）"结构具有高度的溶剂化效应。对于纳米组装结构来说，这让它可以在溶剂介质中高度地分散，并能形成胶体稳定的溶液，且不会出现沉淀和析出。在电子束的照射之下，具有结晶能力的"核区（Core）"通常拥有较高的衬度，很容易就能和溶剂分子以及其他结构区别出来。但是，由于对电子束的不耐受性，通常很难直接观测到嵌段高分子单体的高分辨晶格结构。为此，在低温下通过使用冷冻电镜，该团队利用低剂量电子成像模式，对上述结构进行观测并取得了很好的效果。而亲溶剂的"晕区（Corona）"由于电子云密度比较低，使用普通的透射电镜手段难以观测到。因此在 Nature Materials 这篇论文中，课题组使用了一台 Talos Arctica 冷冻透射电子显微镜，让其工作在 200 kV 电压之下，并配上 K2 直接电子探测器和 BioQuantum 能量过滤器，借此获取了关于"核区（Core）"和"晕区（Corona）"的高分辨率冷冻电镜图像。由此可见，在超分子自组装材料领域，预计冷冻电镜这一表征手段，将对组装机制、结构和功能关系的理解发挥重大作用。而活性结晶自组装（Living CDSA，Living Crystallization-Driven Self-Assembly），则是 Nature Materials 这篇论文的另一个关键词。活性结晶驱动自组装，是国际高分子领域的热点研究方向，也是一种新颖的自组装方法。它能帮助人们深入理解晶体生长和自组装的机制，为材料合成和设计提供新的思路。在材料科学、纳米技术和生物医学等领域，该方法具有广泛的应用前景，可被用于制备功能性纳米材料、晶体纳米颗粒、有序纳米结构等。在这一研究大方向上，课题组主要聚焦在如何利用晶体的自发形成，来控制和引导功能性材料的组装。一些嵌段共聚物分子具有两亲性，这些分子在在晶体生长过程之中，会出现溶液相组装的行为。而通过"种子生长"的方法，可以对这种行为进行控制。具体来说，纳米结构的形貌、大小、结构、以及超分子组装的性质，都可以通过该方法得到精确的调控。在 Nature Materials 这篇论文中，田佳 的合作者是来自英国 GW4 高分辨电子冷冻显微镜中心的研究人员。GW4 高分辨电子冷冻显微镜，是一个用于高分辨度冷冻电子显微镜研究的设备设施，由英国布里斯托大学、加的夫大学、卡迪夫大学和巴斯大学这四所大学合作建立，旨在提供先进的电子显微镜技术支持，以用于研究生物大分子结构和功能。该设施配有最先进的仪器设备，包括冷冻透射电子显微镜、电子能量过滤器和直接电子探测器，可以提供高分辨度的图像和结构分析能力。正是在这些设备的帮助之下，他们顺利地完成了本次研究。5 月 22 日，相关论文以《具有结晶核的嵌段共聚物纳米纤维的高分辨冷冻电子显微镜结构》（High-resolution cryo-electron microscopy structure of block copolymer nanofibres with a crystalline core ）为题发在 Nature Materials 上，并被选为当期期刊封面[2]。上海有机所田佳是论文第一作者，加拿大维多利亚大学伊恩曼纳斯（Ian Manners）担任通讯作者。图 | 相关论文（来源：Nature Materials）审稿人评价称："作者在组装过程中所展现的细节，以及最终对于纳米结构的表征令人印象深刻，突显了之前人们没有意识到的纳米结构独特性。"长远目标：全面地模拟自然光合作用在人工光合作用领域，目前自然体系的平均"光能-化学能"转化效率不足 1%。如能更深入地理解自然光合过程并对其加以改进，则有希望将光能至化学能转化的总量子效率提高至 10% 以上并向实用领域拓展，从而对光能高效利用以及"双碳"目标的实现起到技术支撑作用。在溶液相自组装结构表征领域，假如可以建立冷冻电镜的表征方法并加以推广，对于深刻理解自组装过程、构筑更多的具有特定功能的自组装超分子结构有着重要意义。在人工光合组装体构筑领域，超分子球形色素体结构已被证明具有光收割"球形天线"效应以及优异的稳定性。基于上述结构，田佳 团队将筛选合适的无机催化剂比如杂多酸、无机纳米颗粒，构建有机超分子组装体与无机粒子的高阶组装体系，并探讨其在光催化产氢以及二氧化碳还原方面的应用。同时，他希望通过筛选合适的催化剂，开展光催化产氧的研究，以便构筑不含牺牲试剂的全反应型光催化体系，借此在同一系统中让光催化氧化反应与还原反应同时进行，进而全面地模拟自然光合作用。在组装结构的冷冻电镜表征上，田佳将和其他冷冻电镜平台开展合作，重点研究溶液相构筑的自组装结构，对大分子、小分子在溶液相中的自组装行为进行深入探究，并将根据已有理论知识与研究基础深入理解超分子组装体"结构与功能"之间的内在联系。田佳目前所在的中科院上海有机化学研究所，起步于抗生素和高分子化学的研究，所里的老一辈科学家在"两弹一星"研制、"人工合成牛胰岛素、人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸"和物理有机化学中的两个基本问题等一系列紧密结合国家战略的重要研究中作出了卓越贡献。目前，上海有机所的整体主攻方向是分子合成科学，致力于解决化学键的选择性断裂和重组等重大科学问题。通过结合人工智能技术，旨在探索基础研究驱动变革性技术的创新模式，通过分子合成科学领域的原始创新，推动生物医药和战略有机材料等核心技术的发展。

近日，中科院大连化学物理研究所微纳米反应器与反应工程学创新特区研究组(05T7组)刘健研究员团队在利用聚合物光催化剂生产H2O2研究方面取得新进展，基于对间苯二酚—甲醛(RF)树脂的电荷分离能力的提升，以及光催化反应路径的调控，提升了RF树脂的光催化产H2O2性能，使其太阳能到化学能(SCC)的转化率达到1.2%。利用聚合物光催化剂将氧气和水转化为H2O2的方法具有低能耗、环境友好等特点，是非常有潜力的生产H2O2的方法。然而，在分子水平上设计光催化剂，调节光生载流子行为仍具有挑战。本工作中，该团队提出从分子尺度设计调控RF树脂中电子供体(D)与电子受体(A)比例的策略，将缺电子的1,4-二羟基蒽醌(DHAQ)分子引入到RF的骨架中。研究发现，DHAQ作为电子受体可以有效调节RF中的D/A比例，增强其电荷分离能力，同时调整了反应路径，通过水氧化和氧还原的双路径共同生产H2O2，使得该材料展现优异的光催化生产H2O2的催化活性，SCC效率达到1.2%，是目前文献报道最高的SCC效率。此外，团队与中科院大连化学物理研究所超快时间分辨光谱与动力学研究组(1110组)合作，结合飞秒瞬态吸收光谱等技术、原位表征实验以及理论计算模拟，阐析了DHAQ掺杂的RF树脂的微观结构以及促进电荷分离和双路径生产H2O2的机制。上述研究成果为在分子水平上设计高效人工光合作用的聚合物光催化剂提供了新思路。RF树脂作为一种窄带隙半导体聚合物，近年来在光催化生产H2O2方面展现出潜力。刘健团队长期致力于酚醛树脂纳米材料的合成策略创新及功能化研究，取得了系列代表性成果：发展了扩展St？ber法合成单分散的酚醛树脂微球(Angew. Chem. Int. Ed.，2011)，制备了一系列孔径及粒度可控的多孔微球，以及中空结构、蛋黄—蛋壳结构、碗形酚醛树脂聚合物微纳材料(Nat. Commun.，2013；Adv. Mater.，2019；no.1c09864"ACS Nano，2022)，发展了化学剪裁策略有效调控酚醛树脂微球的内部结构及功能基团分布(Adv. Mater.，2022)等。相关研究以“Molecular Level Modulation of Anthraquinone-containing Resorcinol-formaldehyde Resin Photocatalysts for H2O2 Production with Exceeding 1.2% Efficiency”为题，发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是中科院大连化学物理研究所05T7组博士研究生赵陈。以上工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。在该研究中，他们在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月10日，这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。图：从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算，仍然需要长期不懈的努力。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机，即专用量子模拟机，它能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，超冷原子分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。超冷分子将为实现量子计算打开新的思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级非常复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新的途径。人们可以绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到上世纪八十年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速的发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛的应用。在光合成双原子分子取得成功之后，人们开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。在2006年发表的综述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美国国家标准局的Paul Julienne教授等人回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子是未来合成分子领域的一个重要研究方向。由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，一直无法用来研究三原子分子的合成。后来随着超冷原子气中Feshbach共振技术的发展，利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段。从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。自2008年美国科学院院士Deborah Jin和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷基态分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛地应用于超冷化学和量子模拟的研究中。超冷基态分子的成功制备重新唤起了人们对合成三原子分子的研究兴趣。2015年，法国国家科学研究中心的Olivier Dulieu教授等在理论上分析了从原子双原子分子混合气中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用极其复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。中国科学技术大学的研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振，相关成果发表于《科学》杂志 [Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的成功观测为合成三原子分子提供了新的机遇。但由于原子和分子的Feshbach共振非常复杂，理论上难以理解，能否和如何利用Feshbach共振来合成三原子分子依然是实验上的巨大挑战。在该项研究中，中国科学技术大学的研究小组和中科院化学所的研究小组合作，首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，他们从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。他们成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到了射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。这一工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路。超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题极其复杂，即使经典的三体问题由于存在混沌效应也无法精确求解。在量子力学的约束下，三体问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题一直都是少体物理中的一个重要难题。此外，超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量，这为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要的基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要的信息。该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市等单位的支持。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学研究所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。该研究中，科研人员在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月9日，相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。 　　量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现该目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机，即专用量子模拟机，其能够某些特定问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，超冷原子分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛应用前景。 　　超冷分子将为实现量子计算打开了新思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子十分困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了新途径，可绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到20世纪80年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛应用。在光合成双原子分子成功后，科研人员开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。在2006年发表的综述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美国国家标准局教授Paul Julienne等人回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子是未来合成分子领域的重要研究方向。由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，无法用来研究三原子分子的合成。随着超冷原子气中Feshbach共振技术的发展，利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段。从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。自2008年美国科学院院士Deborah Jin和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷基态分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛应用于超冷化学和量子模拟研究中。 　　2015年，法国国家科学研究中心教授Olivier Dulieu等在理论上分析了从原子双原子分子混合气中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。中国科学技术大学研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振[Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的观测为合成三原子分子提供了新机遇。但由于原子和分子的Feshbach共振十分复杂，理论上难以理解，能否和如何利用Feshbach共振来合成三原子分子成为具有挑战性的问题。 　　该研究中，合作研究小组首次实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，科研人员从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。该工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟了新道路。超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题十分复杂，即使经典的三体问题由于存在混沌效应也无法精确求解。在量子力学的约束下，三体问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题是少体物理中的重要难题。此外，超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量，为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要信息。 　　研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市等的支持。 　　论文链接

NanoMOKE3是新一代超高灵敏度磁强计和克尔显微镜，灵敏度高达10-12emu，是研究磁性薄膜以及磁性微结构理想的测量工具，在自旋/磁电子学、磁性纳米技术、磁性随机存储器、GMR/TMR、记录磁头、磁传感器等研究领域有着广泛的应用。磁光克尔测试属于光学测试，对样品的振动有着一定的要求。传统的低温磁光克尔测试通常使用低振动的液氦恒温器来进行，这种恒温器往往不能兼容纵向和向磁光克尔测试，且使用者需要多次采购和传输使用液氦，实验过程比较繁琐，也给实验室增加了大量液氦成本。2018年6月，Quantum Design在美国加利福尼亚大学圣迭戈分校Ivan Schuller教授实验室成功安装了一套集成NanoMOKE3与5nm别超低振动的Montana无液氦低温恒温器的磁光克尔测试系统，实现了4.5K~325K下的纵向0.47T/向0.35T的磁光克尔测试，为低温下的磁光克尔测试带来了新的方向。 图1 ：磁光克尔测试系统NanoMOKE3+Montana无液氦低温恒温器设备集成外观Schuller教授团队的研究方向之一是制备和研究新型微纳米结构，如量子点、磁性异质结构、二维铁磁线和一维铁磁链等。“新的低温磁光克尔测试系统可灵活安装配置样品，允许我们进行原位磁光和磁输运测试”，Nicolas Vargas研究员说：“我们小组目前正在研究混合异质结构（V-Oxide/FM）在结构相变（SPT）-温度依赖性期间的磁性和反射率行为，这套系统的安装，将对我们的实验提供非常大的帮助。”设备安装成功后，工程师先对垂直磁各项异性薄膜Ta(4 nm)/Pt(10 nm)/CoFeB(0.6 nm)/Pt(2 nm)进行了4.5K下的向克尔测试（如图2所示），结果显示该样品在单次循环无平均下的噪声仅为5%。随后又对该薄膜进行了4.5K下的克尔成像测试（如图3所示），左上角显示为饱和磁化时的成像，顺时针方向为磁场逐渐减小至反向饱和时的成像，可以明显的观察到磁畴的变化。 图2：CoFeB薄膜4.5K下向克尔测试左：60秒平均测试结果 右：单次循环1秒（总测试时间）无平均测试结果 图3：CoFeB 薄膜4.5K下的磁畴成像观测除了向克尔测试，工程师还对坡莫合金微带线（25-um 宽, 24-nm 厚）进行了5.5K下的纵向磁光克尔测试（如图4所示），结果显示该样品单次循环即可得到强的克尔测试信号，噪声仅为3%。 图4：坡莫合金微带线5.5K下的纵向磁光克尔测试左：微带线结构 中：60秒测试平均结果 右：单次循环1秒无平均结果 这套系统除了集成为低温磁光克尔测试系统外，也可以分成室温磁光克尔和低温恒温器等两套系统单使用。已经购买了Montana C2恒温器或者NanoMOKE3磁光克尔系统的用户，也可以在此基础上升为无液氦低温磁光克尔测试系统！

日前，两套全新定制型Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在国内完成安装，两套设备将用于低温光学原子钟的相关研究。这是Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在国内的又一全新应用方向。超稳定的激光是现代高精度测量科学的重要手段之一。高度相干的稳定激光可以被应用于引力波探测、射电天文学、低相位噪声的微波合成器。近几年来，超稳定激光新的用途是用于精确记录时间流逝的原子钟。原则上原子钟的极限准确度仅受限于只有几个毫赫兹的激光带宽。然而这就要求了全新一代超稳定的激光器需要达到10-18的稳定度。近年来，人们研究发现在低温硅腔中的激光器具有非常高的稳定性，将工作温度降至4 K时可提供诸多优势。首先，涂层热噪声在4 K时显著降低，不稳定性降低至10&minus 18水平；其次热膨胀（CTE）在极低温时迅速减小，进一步减少了温度波动的影响。超精细多功能无液氦低温光学恒温系统中的光学腔尤其适用于超高精度的原子钟系统以及需要特殊超高稳定度的精密低温光学实验。自2017年科研人员基于Montana搭建了超稳定光学微腔并将重要的结果发表在PRL期刊以来，Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器在超稳定光学微腔方面的应用引起了全球科学家广泛的兴趣。光学微腔低温系统的样品腔结构示意图*用于光学微腔的Montana超稳定低温光学系统示意图*日前，由Montana Instruments公司根据我国用户的要求全新打造的两套超高稳定性光学微腔低温系统已完成安装并交付使用。系统将用于基于光学微腔的原子钟相关的超高精度科学实验。基于Montana S200型超精细低温光学系统定制的用于光学微腔低温系统外观图该系统可以实现优于mK级的温度稳定性和超低振动，为超精密的光学实验提供稳定的环境。系统可以设计多个光学窗口和多种电学通道，满足用户的各种光电测量需求。因此该系统不仅适用于光学微腔实验，还适用于多种需要超稳定低温环境的精密光学、电学实验。* Ultrastable Silicon Cavity in a Continuously Operating Closed-Cycle Cryostat at 4 K, PRL 119, 243601 (2017)Montana超精细多功能无液氦低温光学系统先进光学恒温器制造商Montana Instruments多年来为低温光学、量子信息等领域提供高性能的光学恒温器而广受赞誉。作为低温光学恒温器的旗舰产品，Montana Instruments在S系列基础上推出了全新型号CryoAdvance系列。该系列的目标是助力科技工作者在先进材料和量子信息领域的研究更上一层楼。CryoAdvance 新特色☛ 自动控制：全新智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。☛ 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。☛ 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。☛ 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。CryoAdvance 50主要参数☛ 低温极限：3.2K☛ 震动稳定性：5 nm（峰-峰值）☛ 降温时间： 300K-4.2K~2小时☛ 样品腔空间：Φ53 mm ×100 mm☛ 光学窗口：5个光学窗口，可选光纤引入☛ 水平光路高度：140 mm☛ 窗口材料：多种材质可选☛ 基本电学通道：20条直流通道。☛ 接口面板：双RF接口+25DC接口Cryostation s200系统s200系统具有超大的样品腔，可满足多种低温光学实验方案和高度定制化的个性化实验方案。☛ 低温极限：3.6K☛ 震动稳定性：15 nm（峰-峰值）☛ 降温时间： 300K-4.2K ~10小时☛ 样品腔空间：Φ196 mm ×75 mm☛ 光学窗口：9个光学窗口☛ 窗口材料：多种材质可选☛ 接口面板：多种接口可选相关产品1、超精细多功能无液氦低温光学恒温器

太阳光、二氧化碳，再加上经过改造过的微生物蓝藻就能制造出生物燃料乙醇，而让这一切变成现实的是一个正在兴起的前沿技术&mdash &mdash 合成生物学。近日，仪器信息网(以下简称为：Instrument)采访了这一项目的研究者，北京化工大学生命科学与技术学院傅鹏程教授。傅鹏程教授给我们讲述了他与合成生物学研究结缘的故事，以及合成生物学如何给我们的生活带来改变、合成生物学面临的挑战等。北京化工大学生命科学与技术学院傅鹏程　　Instrument：请问您是如何与合成生物学研究结缘的?　　傅鹏程：我接触合成生物学其实在世界上都算比较早，这个必须衷心感谢美国加州大学伯克利分校退休教授Alex Karu博士。我一直有意识地寻找一些前辈，我可以视为人生导师的良师益友，这样我可以向他们学习到很多宝贵的人生经验。Alex Karu就是其中之一。他退休之后的嗜好就是每天阅读《Nature》和《Science》有关生物学的最新科研文章，然后分门别类做出自己的评语，判定他认为现代生物技术的热点方向，并通过电子邮件把他的归纳总结每天发给我，每天少则十几条，多则几十条，我读后再和他电话讨论。当时我是夏威夷大学教授，每天在一线工作，没有时间天天看生物学的最新文章，但却能轻松跟踪生物学领域的最新前沿研究，这全仗Alex Karu的帮助。　　2004年，Alex Karu已经发现合成生物学即将在系统生物学之后成为现代生物学最新研究前沿，希望我能够立即跟进。我听从他的建议，在大多数人还不知道合成生物学为何物时，已经开始进行这方面的研究，发表了系列综述文章。2009年还出版了一本英文专著《系统生物学和合成生物学》，由美国Wiley出版社出版，全球发行，目前欧美很多高校将这本书作为研究生教科书或者教学参考书。但不幸的是Alex Karu在书出版之前于健身房中突发脑溢血猝然去世，没有看到本书的面世。非常遗憾的是，直到他去世，我都没能与Alex Karu见面，只有把感激永远藏在心中。谨此向我的人生导师致敬!　　Instrument：请您介绍一下合成生物的理念?合成生物学在哪些方面可以发挥作用?　　傅鹏程：合成生物学最关键是借助了工程系统成熟的理念和应用来创造新的生物系统。例如，汽车是由十几万个部件组成，每个零部件的功能都预先设定好了、标准化的，一旦某个零件换了，只要更换即可发挥同样的作用。而对于生物系统而言，原来都是自然而成的，如今我们要借助了工程系统的理念来修改和构建生物系统，通过将设计好的生物元件放入一个生物系统中，从而使其实现预先设定的功能。　　合成生物学研究主要有两种，一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能 二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统。　　目前，合成生物学已经在医疗保健、能源、环境保护、食品安全等方面发挥作用。例如，治疗疟疾的药物青篙素是从一种产自四川的植物青篙中提取得到，传统的提取方法效率低，成本高。美国伯克利大学的一位教授将青篙素的一些基因作为一个生物元件，构建生物模块并把此生物模块元件置入其他微生物里，再通过发酵便可大规模获得青篙素。此外，在食品安全方面，合成生物学应用最广的是生物传感器，利用合成生物学原理制作的生物传感器可以快速地检测食品中微生物等是否超标。在环境保护方面，有科学家将几个不同的、可降解污染物的基因置于一个微生物里，制造出所谓&ldquo 超级菌&rdquo ，它可以降解污水及土壤里的有机物。　　Instrument：请问系统生物学与合成生物学之间是什么关系?　　傅鹏程：系统生物学是利用系统信息，包括组学数据让人们更加深入了解生命体的结构、功能及相互作用。在系统生物学研究基础上，人们可以找到某个相应的靶点来改造一个特定的生物环节，从而使改造后的生物系统实现我们事先预设的功能。也就是说系统生物学与合成生物学是相辅相成，两者合用的重点通常是从基因组角度拆分自然生物系统，表征和简化它们，并利用他们作为部件重组工程化生物系统。　　系统生物学研究在上世纪90年代兴起，随着组学研究工具及高通量筛查仪器的发展，研究者们得到了大量的数据，从而为系统生物学研究铺平道路。随后，在本世纪初，合成生物学研究才随之跟进、开展开来，立即成为生命科学和生物技术的热门学科。　　Instrument：合成生物学面临哪些主要挑战?与国外相比，中国的合成生物学研究处于什么水平?　　傅鹏程：合成生物学面临的如下挑战：首先它是一个非常新的领域，合成生物学是本世纪才发展起来的新一代生物学，它的定义、研究范围等都还没有很明晰，这个新兴学科犹如尚未成熟而潜力巨大的操作系统，正在升级换代中。其次，合成生物学是各种学科交叉的结果，所以如何把其它学科成熟的概念和应用实践成功地转化进入生物系统，需要很多的尝试。第三，合成生物学诞生在现代科学技术飞速发展的21世纪，后基因组时代高通量测量产生着海量数据，如何从中挖掘有意义的信息，应用于合成生物学，是一个必须直视的挑战。最后，生物系统的复杂性是系统生物学和合成生物学必须面对的首要问题。细胞等生物是由大量结构和功能不同、相互作用的网络组成的复杂系统，并由大量生物元件非线性的相互作用产生复杂的功能和行为。生物体的复杂性和大量过程的非线性动力学特征对计算科学也是一个新的挑战。但无论如何，合成生物学仍然是一个充满机会的研究领域。　　许多发达国家已投入巨资开展相关研究，并在生物能源、医药、环境修复等领域取得了令人瞩目的成绩。与国外的研究比较，中国在合成生物学，以及系统生物学的研究方面处于相对薄弱的状态，但是，我国的科研人员开始意识到这个生物学前沿学科的重要意义。2008年，中国举行了以&ldquo 合成生物学&rdquo 为主题的第322次香山科学会议 2009年，又以&ldquo 合成生物学基础前沿问题&rdquo 为主题召开第144期东方科技论坛。在国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020) 中，明确提出要对交叉学科和新兴学科&ldquo 给予高度关注和重点部署&rdquo ，并将&ldquo 生命体重构&rdquo 列入科学问题&ldquo 生命过程的定量研究和系统整合&rdquo 的研究方向。相信我国会有越来越多的科学家和工程师加入到工程化生物学的研究及应用当中。金秋十月，由我们主办的2014合成生物学国际论坛将在北京召开，届时来自全球顶尖的合成生物学家将与中国学者交流，并为中国学者参与合成生物学研究提供合作及学习的机会。　　Instrument：请介绍一下您所进行的以蓝藻为底物进行生物燃料研究的情况?　　傅鹏程：蓝藻是一种光合生物，它有一个特点就是能充分利用太阳能，经过光照后，发生光合作用，蓝藻将太阳能转化为化学能。为此，我们通过合成生物学的方式，利用基因工程改造特定的藻类，开发出蓝藻工程菌，再通过光合生物反应过程使藻类用温室气体二氧化碳直接生产燃料乙醇。　　这种蓝藻工程菌仅仅需要阳光和二氧化碳作为原料就能够生产出乙醇，因此具有生物质发酵工艺生产乙醇所不具备的种种特点：(1)燃料乙醇生产效率高，耗能小，成本低。(2)就地吸收电厂等单位排放的温室气体。(3)不使用任何农作物作原料，不与人类争夺粮食。(4)生产周期短。蓝藻接种五天后可开始生产燃料乙醇。(5)可稳定连续化大规模生产。(6)生产工序大大简化。(7)不产生固体废弃物及不排放有害气体。(8)没有原材料运输问题。　　目前，实验室&ldquo 生产&rdquo 已经不存在问题，但是要实现产业化生产还有许多具体的工程化问题要解决。实验室使用的50升及15升藻类光合生化反应器　　Instrument：在科学研究中，检测工具都扮演着至关重要的角色，请问合成生物学研究主要利用哪些仪器?您是否有研制或改进相关仪器?　　傅鹏程：就像前面提到的合成生物学研究与系统生物学是相辅相成的，研究中也要涉及系统生物学。所以在使用的仪器方面，除了利用常规的分子生物学必须的仪器设备，例如PCR仪、凝胶电泳等之外，还需要许多高通量的仪器提供组学的测量，例如基因芯片、核酸合成仪、质谱仪器等。　　针对课题组的研究需求，我们还自主研发了微流控装置，该装置是有一个很小的腔体，只能让单细胞通过，这样利用此装置及电子显微镜，我们可以观察单个细胞的信息。　　此外，我们的研究中还需使用微反应器阵列及与测定光合作用的有关仪器。这些仪器相对而言较简单，我们有构想，希望找到相关企业能够产业化。　　采访编辑：杨娟　　附录：傅鹏程教授简介　　傅鹏程博士从浙江大学化工系获得学士(1982年) 和硕士(1988年) 学位后，曾在中国石化总公司广州石化总厂工作(任控制工程师)，1996年获澳大利亚悉尼大学博士学位，嗣后先后在日本九州工业大学(1996-1997年)，美国明尼苏达大学(1998-1999年)和加州大学圣地亚哥分校(1999-2000年)从事生物工程博士后研究。2001年入美国DIVERSA生化公司工作(主要从事生物系统基因表达，代谢工程及发酵技术研究)。2002年应聘至夏威夷大学分子生物科学与生物工程系任教授。2013年5月到北京化工大学生命科学与技术学院工作。本研究室的研究方向为海洋及淡水藻类的开发，重点在蓝藻基因工程改造以利用太阳光和CO2生产燃料乙醇。此项发明已申请了美国专利及国际专利。与瑞士教授Sven Panke合编《系统生物学与合成生物学》，由美国Wiley 出版公司2009年4月出版。傅博士是2005年美国农业部及2009年美国能源部生物能源研究项目基金评审委员会成员。　　其他研究兴趣：　　1. 土壤生物修复 深海海藻活性物质激活本源土壤微生物种群，降解吸附重金属，分解有机污染物，吸收氮磷等养分，修复土壤，恢复有机碳，氮循环 刺激陆生植物体内非特异性活性因子的产生，并调节内源激素的平衡，对作物具有的促进生长作用。　　2. 大数据生物工程 传统的发酵工程，酶工程和细胞工程等传统生物工程能够实时应用基因组，蛋白质组，代谢组，脂质组信息和细胞代谢等等大数据，实现传统生物产业，特别是发酵工程的升级换代。　　3. 生物能源与生物燃料 结合合成生物学和藻类生物技术，以太阳能和二氧化碳为输入生产生物能源和生物燃料。

美国麻省理工学院研究人员通过模拟光合作用，即植物用来生产糖分的光驱动过程，设计了一种可以吸收光并用光来驱动各种化学反应的新型光催化剂。该研究成果15日发表在《化学》杂志上。　　这种新型催化剂被称为生物混合光催化剂，其含有一种采光蛋白，可吸收光并将能量转移到含金属的催化剂上。然后，这种催化剂利用能量进行反应，这些反应可用于合成药物或将废物转化为生物燃料及其他有用的化合物。　　研究资深作者、麻省理工学院化学副教授加布里埃拉施劳-科恩表示，光催化可使药物、农用化学品和燃料合成更加高效和环保。研究表明，新型光催化剂可显著提高他们尝试的化学反应的产量，且与现有的光催化剂不同，新催化剂可吸收所有波长的光。　　在之前进行的关于光催化剂的工作中，研究人员使用一种分子来进行光吸收和催化。该方法有局限性，因为大多数使用的催化剂只能吸收某些波长的光。为了创建新催化剂，研究人员模拟光合作用并将两种不同的元素结合起来：一种用于采集光，另一种用于催化化学反应。对于光采集部分，他们使用了一种在红藻中发现的被称为R-植物红素的蛋白质。他们将这种蛋白质连接到含钌催化剂上，该催化剂以前曾被单独用于光催化。　　联合展开研究的普林斯顿大学团队测试了催化剂在两种不同类型的化学反应中的性能。一种是硫醇—烯偶联，将硫醇和烯烃连接起来形成硫醚，另一种是肽偶联后用甲基取代剩余的硫醇基团。　　普林斯顿团队的研究表明，与单独的钌光催化剂相比，新的生物混合催化剂可将这些反应产量提高十倍。他们还发现，这些反应可在红光照射下发生，这是现有光催化剂难以实现的，其对组织的破坏更小，因此有可能用于生物系统。　　研究人员说，这种改进的光催化剂可被纳入上述两种反应的化学过程中。硫醇—烯偶联可用于创建蛋白质成像、传感、药物输送和生物分子稳定性所需的化合物。例如，它可用于合成脂肽，使新设计的抗原疫苗更容易被吸收。研究人员测试的另一种反应是西苯脱硫，它在肽合成中有许多应用，包括可用于生产艾滋病治疗药物恩夫韦地。　　这种类型的光催化剂还可用于驱动一种被称为木质素解聚的反应，有助于从木材或其他难以分解的植物材料中产生生物燃料。

在为交通运输提供碳中性(平衡)燃料这条漫长且艰难的道路上，美国能源部正寻求多种途径力图实现自己的目标。能源部的努力包括探寻自然界中潜在的新型燃料资源，它们包括从陆地上可作为纤维质原料的植物(如快速生长的树木和多年生牧草)到水中及其他生长环境中的产油生物(如海藻和细菌)，极具多样性。　　对生物燃料研究人员而言，近期美国《科学》杂志刊登的一项成果无疑是一条喜讯。根据该杂志的报道，美国能源部联合基因组研究所(JGI)和索尔克研究所领导的研究人员破译了carteri团藻(Volvox)的基因组。carteri团藻是一种多细胞海藻，它通过光合作用获取光能。　　藻类光合作用藏&ldquo 玄机&rdquo 　　据悉，美国能源部之所以大力支持光合成生物体内复杂机制的研究，为的是更好地认识生物体如何将阳光转换成能量，以及光合成细胞如何控制生物的新陈代谢过程。这些信息有助于未来可再生生物燃料的生产。　　在《科学》杂志刊登的文章中，研究人员将团藻基因组同其近亲单细胞莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的基因组进行了比较。3年前，联合基因组研究所曾破译了莱茵衣藻的基因组。衣藻是人们深入研究的潜在的海藻生物燃料资源。团藻和衣藻均属于团藻目家族，团藻基因测序的重要价值在于它可以作为衣藻基因参照物(对比物)，研究人员通过数据比较来研究它们的光合作用机理以及多细胞生物的演化。　　与衣藻不同，团藻包含两种细胞：一种是数量较少的生殖细胞，另一种则是数量较多的体细胞。生殖细胞能够分化形成新的菌落，与此同时，体细胞则提供机动力，并分泌能导致生物体扩展的细胞外基质。团藻内两种细胞的分工使得团藻比衣藻生长和游动都要快，从而帮助团藻能够躲避捕食者，同时在更深的水域获取营养。　　文章第一合著者、索尔克研究所科学家吉姆· 伍曼表示，团藻特别令人着迷的地方是它如何有选择地减少光合作用或调节光合作用以支持另一种细胞。虽然目前人们还没有很好地认识团藻的这一特性，但该特性有可能帮助人们通过转基因工程让光合生物进行相应变化，生产生物燃料或其他产品。　　并不是&ldquo 越小越简单&rdquo 　　联合基因组研究所生物信息学家西蒙· 普鲁克尼克解释说，研究团藻目生物的兴趣点在于单细胞祖先在较短的进化时间段演化成多细胞和复杂的细胞过程。研究人员发现，尽管团藻和衣藻两种生物的复杂程度和生命史存在很大差异，二者的基因组却有相似的蛋白编码潜能。与莱茵衣藻相比，专家在团藻细胞内只发现了很少该生物特有的基因，也就是说，多细胞的团藻基因组缺乏创新。因此，越小越简单的理念开始受到挑战，科研人员由此推断，从单细胞生物演变为多细胞生物并非必须大幅提高基因的数目，在这种演变中，基因如何以及何时编码合成特定的蛋白才具有决定意义。相信随着更多的单分子生物的基因组被破译，人们对此将会有更多的了解。　　分析显示，大约有1800个蛋白质家族属于团藻和衣藻所独有。这些蛋白质家族是多细胞物种生长和发生形态变化的基因物质资源，尤其是经查明，某些蛋白质家族与多细胞体相关。团藻和衣藻在利用这些蛋白质家族方面的不同之处将是人们未来准备研究的问题。伍曼表示，团藻基因组为衣藻基因组工程以及精确认识形态进化和蛋白质创新增加了巨大的价值，现在人们需要静下来研究这些基因的功能。　　普鲁克尼克认为，团藻和衣藻作为易驾驭的实验模式生物，它们的信息可以被人们广泛使用，包括那些对团藻生物学不感兴趣的研究人员。他表示，团藻基因组是指导其对目标领域进行深入研究的极好资源。　　华盛顿大学名誉教授大卫· 科克预计，由于团藻基因组的破译，在未来5年里，研究团藻的群体人数将迅速增加。他说：&ldquo 认识多细胞体的起源是我毕生的兴趣，随着基因组测序完成，这项工作开始起步了。现在，人们可以轻而易举地获得更多的答案。真希望自己出生得晚些，这样可以成为研究的参与者。不过，我将在一旁为研究者欢呼。&rdquo

2021年10月4日，Journal of Physical Chemistry letters 在线报道了中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔研究组（SM6组）题为“电化学红外光谱揭示光合放氧中心锰簇拟合物在多重氧化还原状态中的结构重排（Structural Reorganization of a Synthetic Mimic of the Oxygen-Evolving Center in Multiple Redox Transitions Revealed by Electrochemical FTIR Spectra）”的研究工作。该工作利用傅里叶变换红外光谱仪在低波数波段研究了人工合成的锰簇在电化学氧化过程中的机构变化，为光合放氧中心裂解水的反应机制研究开辟了一条新途径。光合作用是自然界利用太阳光大规模地将二氧化碳和水合成有机物并放出氧气的过程。在地球与生命进化过程中，具有放氧复合体的放氧光合生物的出现，使地球大气层中的氧气从无到有、逐渐积累并恒定在大约21％的水平，大大加速了地球演化、生物圈形成与繁荣的进程。光系统Ⅱ核心复合体是光能驱动水氧化的重要场所，具有光解水放氧功能的系统II核心复合体是一个由多个蛋白亚基、锰簇、色素分子等辅助因子组成的色素膜蛋白复合体。其核心锰簇是含有五个金属离子的Mn4O5Ca。其中的三个Mn原子，四个氧原子和一个钙离子占据六面体的8个顶点，形成立方体结构。太阳光经捕光天线吸收后分步传给反应中心的叶绿素特殊对，并实现电荷分离，形成的正电荷将邻近的酪氨酸Z氧化成正离子自由基，后者进一步将锰簇物氧化，驱动水的氧化并放出氧气：早期闪光诱导动力学研究表明，氧气的释放需要4个持续的闪光过程才能完成一个放氧周期。Kok等在1970就提出天然锰簇物放氧中心存在一个由S0-S4的5个状态构成的循环反应模式（即Kok 循环）。S0，S1，S2 ，S3 和S4分别表示放氧锰簇物的不同氧化还原状态。每一次氧化诱导的状态改变都会丢失一个电子，而每循环一次则需吸收4个光子，积累4个氧化当量（失去4个电子，积累4个质子）才能把水分子完全裂解，释放氧气后再次回复到S0态，如图1所示。2H2O−4e−⟶4hvO2↑+4H+" role="presentation"的释放需要4个持续的闪光过程才能完成一个放氧周期。图1. Kok循环示意图光系统放氧中心复合物的晶体结构研究表明，放氧中心锰簇物是由锰离子和钙离子经D1和CP43蛋白上氨基酸羧基侧链结合而形成的生物自组装结构。由于D1蛋白对强光很敏感，在体内的代谢周转十分迅速，半衰期大约为十分钟。可见，在自然界中放氧中心锰簇物是依靠生物的自修复功能实现其持续运转的。天然氧中心锰簇物的不稳定性对光合作用水裂解的机制研究也带来了相应的困难。2015年中科院化学研究所张纯喜研究小组在光系统放氧中心人工拟合物的研究中获得重大进展，成功合成了新型Mn4O4Ca簇合物（Science, 2015, 348, 690-693）。迄今为止，该类化合物是与天然放氧中心锰簇物最为接近的人工拟合物，该拟合物中四个Mn离子的价态（+3，+3，+4，+4）与天然放氧中心锰簇物S1态一致，而且同样具有催化水裂解的功能。此人工合成物为天然放氧中心锰簇物裂解水过程的微观机制研究提供了良好的契机。相关实验研究中，位于红外光谱低频波段（1000 cm-1）的 Mn—O键特征峰一直是指认放氧中心锰簇物状态变换过程中结构变化的重要依据。国际上利用脉冲闪光结合傅里叶变换红外光谱在该方向开展了大量的研究工作。由于天然锰簇物是组装在蛋白质中的，直接进行电化学氧化会导致蛋白质分解，同时蛋白质的低频峰会干扰锰核物峰位指认。另一方面，脉冲闪光引起的氧化还原电位变化是量子化的，无法实现氧化还原过程的连续调控，有可能错过某些变化细节。而人工拟合物则不然，可以进行连续电位扫描，且没有蛋白质在低频波段的干扰。针对上述问题，SM6课题组与长春应化所蒋俊光研究员合作设计了一种适用于傅里叶变化光谱仪的微型密封透射式电化学池，然后通过对锰簇拟合物进行连续电位扫描，研究了锰簇拟合物（由化学所张纯喜研究员提供）的结构变化过程。研究发现，S2氧化态存在两种不同的结构，即Mn1—O5是成键还是断开状态所对应于的封闭或开放锰核立方体结构（见图2）。该结论和天然锰簇物极为相似，不同的是，对于人工拟合物，S2态的闭合立方体结构比开放的立方体结构更加稳定，而这一次序在天然锰簇物中正好相反。可能的原因可归结于两者在配体分子上的差异，即人工锰簇物不存在H2O分子配体，而天然锰簇物含H2O分子配体。该工作为光合放氧中心裂解水的反应机制研究开辟了一条新途径，审稿人认为该工作为天然放氧中心锰簇物的研究提供了有用的基准信息“useful benchmark information”。图2.天然锰簇物(a)和人工拟合物(b)S2状态开放及闭合结构示意图该研究得到了国家自然科学基金委重点项目(21433014, 91961203)和中国科学院前沿重点项目（QYZDJ-SSWSYS017）的支持。

2016年12月19日，上海生科院生理大楼2楼报告厅，来自全国各地的200多位植物生理专家齐聚一堂，共同庆祝沈允钢先生90华诞并召开2016长三角光合作用学术研讨会。本次盛会由上海市植物生理与植物分子生物学学会、中科院上海生科院植物生理生态研究所光合作用与环境生物学实验室承办，浙江省植物生理与植物分子生物学学会和江苏省植物生理学会协办。 沈允钢先生，植物生理学家。1927年出生于浙江杭州，1951年毕业于浙江大学农业化学系，同年8月，被分配到中国科学院上海实验生物研究所植物生理研究室工作，任研究实习员。20世纪50年代末，沈允钢先生在殷宏章先生的领导下，着手探讨光合作用机理研究，着重进行光合磷酸化的机理研究。1961年，他与合作者完成了光合磷酸化量子需要量的测定，结果表明在光合电子传递还原一个辅酶II等电子受体的同时无论合成一个腺三磷与否都需要利用4-6个光量子，这证实腺三磷合成和光合电子传递是偶联在一起的。这一结果被殷宏章先生带到1961年在莫斯科召开的第五届国际生化学会议的光合作用专题组中发表，得到了与会代表的认可。沈允钢等人在世界上首先发现了光合磷酸化过程中存在着高能中间态，比美国科学家Jagendorf等早发表一年，这一发现引起了国际同行的重视，在文献中被多次引用。Jagendorf等的后续研究证明这种高能中间态就是Mitchell提出的化学渗透假说中的跨膜质子梯度，为化学渗透假说提供了最早的直接证据，该学说于1978年获诺贝尔化学奖。沈允钢等的光合磷酸化高能态的发现，使光合磷酸化机理研究迈进了大大一步，受到了国际科学界的高度评价。1980年沈允钢先生当选为中国科学院学部委员（院士）。 沈允钢先生为我国植物生理研究做出了巨大的贡献，他实事求是、平易近人、踏实笃定、治学严谨的作风影响着一代又一代的光合人，他的一言一行激励着一批又一批的后备科研工作者，也激励着我们为各位科研工作者提供更好的技术服务。泽泉科技全体同仁恭祝沈允钢先生福寿安康、松鹤长春！ 在九十华诞庆典之后召开了2016长三角光合作用学术研讨会，与会专家就光合作用研究的进展、沈允钢院士的光合作用研究历程等内容做了报告交流。 本次研讨会，泽泉科技向广大与会专家介绍了植物光合作用测量的全方位解决方案，并展示了德国WALZ气体交换光合仪GFS-3000、双通道调制叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100、光纤式放氧仪等产品。很多与会专家到泽泉展台就仪器的使用以及更新换代进行了深入的交流，对泽泉科技的产品和服务表示充分肯定。

受人口爆炸式增长、气候变化、战争以及疫情的影响，当前全球的粮食安全面临着严重的威胁。根据联合国粮农组织（FAO）最新发布的 2022《世界粮食安全和营养状况》报告：在 2021 年，全球约有 23 亿人处于中度或重度粮食不安全状态。而与粮食危机相对的，却是耕地有限地开发和增长，以及过去几年当中重要作物产量增率的停滞不前。因此，迫切需要找到一种快速、可持续的方式，来在有限的耕地当中生产更多的农产品和改良作物营养，以确保未来的粮食安全。而新兴的合成生物学，已经以其构建、控制和编程细胞行为的能力，展现出了其在农业领域应用当中的潜力。2022 年 9 月 5 日，在 Advanced Agrochem 期刊上在线发表了一篇 “合成生物学之于农业领域应用” 的综述文章，题为《合成生物学：未来农业的强大助推器》，文章的通讯作者为中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的周佳海研究员。在该篇综述当中，研究人员一共从 3 个方面给我们介绍了 “合成生物学在农业领域” 当中的应用和发展趋势，其分别为：作物育种、植物在固碳（光合）和固氮上的改进，以及农业中微生物的改造与运用。“合成生物学在农业中的应用，体现其在作物改良中改变代谢途径、遗传回路和植物结构上的潜力。同时，合成生物学的工程微生物，也在可持续农业中发挥着作用，例如生物施肥、生物刺激和生物防治。” 在文章中，研究人员这样写道。合成生物学在农业中的应用（来源：Advanced Agrochem）作物驯化和育种 农作物的驯化，是指植物当中优良的突变性状以人类意愿不断积累留存的过程。在过去，这一过程通常需要经历很长时间才能够完成，有时甚至可能长达数千年。虽然现代育种技术已经极大加快了这一进程，但是缩短至几十年的速度仍然无法应对粮食供应所面临的严峻挑战。 随着基因组学技术的发展，通过对于植物基因组的操纵，作物驯化和作物育种的速度得到了更进一步的飞跃。基于对植物基因组的了解，作物育种工作可以分为 3 个过程：读取（Read）、理解（Interpret）以及书写（Write），而合成生物学，正是书写植物基因组的关键技术之一。 从基因组学到作物育种（来源：Nature Biotechnology） 植物基因组书写技术包括有基因组编辑和基因组设计。 基因组编辑，指的是对于基因组中特定位点的编辑与改造。在这一方向上，李家洋团队建立着有以其为基础的 “野生稻快速从头驯化技术体系”，该系统可以通过针对基因组中不同性状基因的编辑改造，来实现对于作物的快速驯化。 而基因组设计，则指的是对于一整个基因组上的精准设计。在这一块上，黄三文团队开展了马铃薯相关的设计育种工作：基于基因组大数据进行分析、设计和筛选，其最终选择了基因组互补性比较高的自交系进行杂交，成功掩盖杂交种中有害突变的效应，获得了优势显著的杂交种。 杂交马铃薯育种基因组设计示意图（来源：Cell） 此外，与植物基因组书写的工具和策略也在不断发展当中，比如在最近的许多工作中，研究人员利用 CRISPR/Cas 工具，成功在植物中实现在兆碱基范围内以受控方式（如倒位和易位）的可遗传染色体重排。这些策略可能会被应用到作物育种当中。 光合作用与固氮作用• 改造光合作用系统 光合作用是作物的能量来源，也是作物产量的主要决定因素。 一种光合系统的改造策略，在于寻找光合系统中的高效酶并引入替代。比如 Prins 团队在核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶（Rubisco）在上的工作：其在研究小麦族 25 种基因型的 Rubisco 后，发现将普通小麦野生近缘种的 Rubisco 替代进农用小麦后，可以将碳吸收率提高 20%。 替代后更高的同化率（来源：Journal of Experimental Botany） 不过，无论如何提高 Rubisco 的酶活，整体的固碳效率，也仍然是受到天然代谢途径本身的限制。因此，要在更大程度上去提高光合效率，可能需要设计一种新的固碳途径。 Tobias Erb 团队便报道了该策略上的第一个合成途径：用于体外二氧化碳固定的 CETCH 循环（见下图）。之后，研究人员进一步将 CETCH 循环封装在细胞大小的液滴中，使用微流体作为叶绿体模拟物来创建人工光合作用系统。而这种 “合成叶绿体”，将有可能超越自然光合作用。 CETCH 循环（来源：Science）• 引入碳浓缩机制（CCMs） 为了在低 CO2 浓度环境（如水体）中保持较高的光合速率，在蓝细菌等生物中进化出了一种能够在 Rubisco 周围积累 CO2 的机制，称为碳浓缩机制（CCMs）。因此，除了直接提高酶活性外，将 CCMs 引入植物，也被认为是一种潜在的提高植物光合作用效率和产量的方法。 羧酶体（Carboxysomes），是 CCMs 的重要组成部分，这便使得其成为该策略研究、改造和设计的一大对象。 Maureen Hanson 团队首先报道了该方向上的研究，其在替换烟草 Rubisco 的同时引入了羧酶体组装的相关蛋白，而 Cheryl Kerfeld 团队则在蓝细菌中对羧酶体进行了重新设计，得到的嵌合蛋白能够在结构和功能上取代羧酶体组装所需的 4 个基因组分。 天然 β- 羧酶体核心的组装和嵌合蛋白 CcmC（来源：The Plant Cell） 除了羧酶体外，还有着其它方向上关于引入 CCMs 策略的研究。比如 Stephen Long 团队的一项研究：其在大豆中插入了蓝细菌来源的无机碳转运蛋白 B（IctB）基因，最终使得改造后植物的光合 CO2 吸收量和干重都得到了显著增加。• 固氮作用的改进 改进生物固氮途径，提高作物对氮源的利用率，也是合成生物学在农业中应用的重要领域。与光合作用改进类似，将异源固氮基因簇 nif 转移到植物中，是设计与改造的最直接选择。 一直以来，研究人员都在植物不同的区室中尝试着异源固氮基因的设计和表达，比如 Elena Caro 团队的研究：其重新设计了葡萄曲霉（Azotobacter vinelandii）来源的固氮基因 nifH、M、U 和 S，同时利用合成生物学工具最终实现烟草叶绿体中 NifH 的产生。 微生物在农业中的利用• 植物微生物组和微生物肥料微生物是合成生物学中最常用的工具，因此，相较于改变植物本身的固氮能力，建立固氮植物微生物群落可能是一种更加有效且便捷的策略。在这一方向上，天然植物根际促生菌（PGPRs）的发现是研究最为集中的领域。 天然 PGPRs 运用的局限性（来源：The ISME Journal） 目前，有些天然 PGPRs 的研究已经取得了不错的进展，可以显着提高作物产量，并且正在走向商业化。但是，许多的 PGPR 田间研究显示出了参差不一的性能，研究人员推测这可能是由于外加的 PGPRs 破坏土壤环境中原本的微生物群落所导致的。 微生物群落内复杂的相互作用阻碍了 PGPRs 的进一步拓展应用。针对这一问题，合成生物学可以从新的角度带来解决方案：利用移动遗传元件（MGE），将目标性状（比如固氮、耐铵能力）转移到选定的根际细菌或整个群落中，用于定制具有理想性状的 PGPRs。 这一策略不仅仅局限于固氮，比如农作物还需要磷等其他化学元素，便可以以微生物磷肥形式进行提供：通过引入重构的植酸酶基因改造了一组根系细菌，这些菌株产生的植酸盐可以为植物提供磷酸盐的供应来源。 工程根系细菌提供微生物磷肥（来源：Applied and Environmental Microbiology）• 土壤修复潜力 目前，全球 1/3 的地表出现了不同程度的退化，每年流失肥沃土壤 240 亿吨，已经对生态系统和农业生产构成重大威胁。而土壤微生物，可以恢复退化土地、改善土壤水力特性同时降低土壤疏水性。 现有的合成生物学研究表明，由多个相互作用的微生物种群所组成的工程微生物联合体，能够执行复杂的任务并承受多变的环境影响。合成微生物群落通过重塑土壤微生物群落结构，为利用微生物修复土壤、提高微生物存活率提供了解决方案，而这，也是未来的一个应用方向。• 农药生物制造 合成生物学中的生物制造方法，是利用细菌、酵母等生物体进行原料的加工和合成。这种绿色生产技术可以替代传统的化学合成，改变农药等农用化学品的生产方式。此外，生物制造还可以减少工业过程中对于能源和资源的消耗，并减少空气、水和土壤的污染和生产成本。 合成生物学之于生物制造（来源：Nature Biotechnology） 在农药的生物制造研究上，有如高江涛团队的研究：其发现了除草剂草甘膦的前体氨基甲基膦酸酯（AMP）的生物合成途径，并进一步地运用合成生物学策略提高了 Streptomyces lividans 中 AMP 的产量，较原始菌株提高了 500 倍。 展望虽然合成生物学已经在农业的各个方面都显示出了巨大的潜力，但目前能够实现或接近商业化的应用仅集中在作物育种、微生物固氮、生物制造等方面。相比之下，固碳、固氮和代谢途径的改造仍处于概念阶段。 部分涉及农业合成生物学的公司名单（来源：Advanced Agrochem） 作为微生物肥料的固氮微生物，是合成生物学目前在农业中较为成熟的应用场景。 比如全球农业领域的龙头企业的先正达集团，其正在制定生物制剂的全面战略：推出了农用微生物肥料新产品，推进生物科技产品的研发进入合成生物学时代。另一巨头，拜耳作物科学，也与合成生物学平台公司 Ginkgo Bioworks 联手成立子公司 Joyn Bio，专注于工程固氮微生物。 此外，拜耳作物科学和先正达集团也在作物生物育种方面进行布局，这其中就包括了 CRISPR 等技术的运用。 合成生物学在农业中的应用（来源：Advanced Agrochem） 在农药的生物制造方面，目前世界上主要的传统农用化学品生产企业仍然主要采用化学合成路线，不过，一些新兴的合成生物学公司，如 Zymergen 和 Provivi，正致力于开发天然农药。而实现生物制造农药的绿色生产，还有着很大的发展空间。参考链接（上滑查看）：[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2773237122000065[2] https://www.fao.org/3/cc0640zh/cc0640zh.pdf[3] https://www.nature.com/articles/s41587-019-0152-9[4] http://www.qibebt.cas.cn/xwzx/kydt/201409/t20140919_4210504.html[5] https://www.nature.com/articles/s41396-020-00835-4

顶复动物亚门（Apicomplexa）是一组专性细胞内寄生虫，包括疟疾和弓形虫病等人类疾病的致病因子。顶复动物亚门是由自由生活的光养性祖先进化而来的，但是人们对这种向寄生过渡的过程如何发生仍然是不清楚的。一个潜在的线索在于珊瑚礁，在那里，环境DNA调查已发现了未被描述的基底分支的顶复动物亚门的几个谱系。造礁珊瑚与具有光合作用的Symbiodiniaceae dinoflagellates存在良好的共生关系，但是鉴定珊瑚的其他的至为重要的微生物共生体经证实是具有挑战性的。corallicolid存在于全世界70%的珊瑚中在一项新的研究中，来自加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究人员通过使用群落调查、基因组学和显微镜分析鉴定出顶复动物亚门的一个谱系，我们将它非正式地命名为corallicolid。我们发现corallicolid在所有主要珊瑚群中是普遍存在的（存在于80％以上的珊瑚样本和70%的珊瑚属中）。相关研究结果发表在2019年4月4日的Nature期刊上，论文标题为“A widespread coral-infecting apicomplexan with chlorophyll biosynthesis genes”。corallicolid是仅次于Symbiodiniaceae的第二丰富的珊瑚相关微真核生物（microeukaryote），因此是珊瑚微生物组的核心成员。原位荧光和电子显微镜实验证实，corallicolid生活在珊瑚胃腔组织的细胞内，并且它们具有顶复动物亚门的超微结构特征。这些研究人员对corallicolid质体进行基因组测序，发现它缺乏所有编码光系统蛋白的基因；这表明corallicolid很可能含有不能进行光合作用的质体（顶质体）。然而，corallicolid质体与所有其他已知的顶质体（apicoplast）不同，这是因为它保留了四个参与叶绿素生物合成的祖先基因。因此，corallicolid与它们的寄生性亲属和能够自由生活的亲属存在一些相同特征，这表明它们是进化中间体，并提示着在从光养性到寄生性的过渡期间存在着一种独特的生化机制。

植物是生物的食物源头。无论是动物还是人，其食物归根结底都直接或间接地来源于植物。因此，植物的重要性不言而喻。而植物主要是通过光合作用来将光能转化为化学能，从而在体中储存有机物的。这些有机物不仅能为植物自身的机体生命活动提供能量，还是人和动物生命活动的主要能量来源，作用匪浅。光合作用除了为生物提供食物和能量外，还能维持呼吸作用的氧气及防御紫外线杀伤作用的臭氧层，是生物圈形成、发展和繁荣及持续运转的基础、关键环节和驱动力。正因如此，植物光合作用的速率如何就显得尤为重要了。 光合作用测定仪产品详情介绍→https://www.instrument.com.cn/show/C460790.html增强植物的光合速率可以增加过氧化物酶及硝酸还原酶的活动，加快植物对二氧化碳的吸收，调节植物的碳氮比，大大的加强了植株的免疫能力，让植物可以呈现出良好的生长态势。不仅如此，光合作用还能固定空气中的二氧化碳，减缓温室效应，并与生物质能源、秸秆还田、碳基肥等建立密切的关系，帮助农业生产的同时保护了环境。但是植物的光合作用比较难掌控，所以说，能否测定植物光合作用对于农业生产种植的活动具有重要的指导意义。这时，光合作用测定仪的出现就彰显出了我们农业科研水平了。 光合作用测定仪产品优势：　　产品特点：　　1、智能化：采用Android操作系统，高灵敏触摸屏。高效的人机交互，测定过程实时显示，更好的操作体验；　　2、高稳定性：双波长红外二氧化碳分析器，加入温度调节及大气压力测量单元，有效的提高了二氧化碳的稳定性及准确性。有效地避免了因为温度变化而造成二氧化碳数值过大波动的弊端；　　3、多功能：同时测定光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和水分利用效率，以及二氧化碳浓度、相对湿度、光合有效辐射和空气温度、叶片温度、大气压力等指标；　　4、自定义：用户可根据测量需要自定义编辑实验备注，并可显示Pn曲线、Tr曲线、光-光合曲线以及湿度-蒸腾曲线；　　5、数据分析：试验完毕后可将多组数据同时分析，生成放不同颜色的曲线图，方便进行实验数据对比；　　6、大屏幕：10寸高灵敏触摸屏，人性化操作界面，为用户提供更好的数据显示。　　7、数据导出：支持wifi、蓝牙传输，数据可无线上传；同时支持U盘拷贝数据，免驱动插拔。　　8、配置云平台：检测结果可选择性或批量无线传至平台，方便用户进行长期数据管理和可视化分析。辅助科研。　　9、长续航：满电状态下可在野外连续使用10-12个小时。　　10、便捷性：体积小，重量轻，配手提箱随身携带，方便单人流动测试。　　11、配置支架：方便长时间无人值守检测，主机支架高度可调，检测手柄三脚架高度角度均可调。光合作用测定仪是通过测量植物叶片既定时间内CO2吸收或释放量，并同时测量空气温湿度，叶片温度，光照强度以及同化CO2的叶片面积等要素，来直接计算出植物的光合速率、蒸腾速率、细胞间CO2浓度和气孔导度等光合作用指标。该仪器具有反应迅速，抗干扰性强，操作方便，结果精度高，可以进行连续的测定等突出优点，因而得以应用于植物生理学、植物生物化学、生态环境等多个领域，为农林业的进步发展贡献了力量。

型号推荐：光合作用测定仪-一款快速检测植物光合速率的仪器2024实时更新，光合作用是植物生长的基础过程，它直接影响植物的生产力和生态系统的能量流。光合作用测定仪是一种专门用于测量植物光合作用速率的仪器，对于植物生理学研究、农业生产和生态监测等领域具有重要作用。 一、准确测量光合速率 光合作用测定仪能够精确测量植物在特定环境条件下的光合作用速率。通过测定植物叶片或整个植物的CO2吸收和O2释放，仪器提供了关于植物光合作用效率的重要数据。 二、产品特点&bull 智能化：采用Android操作系统，高灵敏触摸屏。高效的人机交互，测定过程实时显示，更好的操作体验；&bull 高稳定性：双波长红外二氧化碳分析器，加入温度调节及大气压力测量单元，有效的提高了二氧化碳的稳定性及准确性。有效地避免了因为温度变化而造成二氧化碳数值过大波动的弊端；&bull 多功能：同时测定光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和水分利用效率，以及二氧化碳浓度、相对湿度、光合有效辐射和空气温度、叶片温度、大气压力等指标；&bull 自定义：用户可根据测量需要自定义编辑实验备注，并可显示Pn曲线、Tr曲线、光-光合曲线以及湿度-蒸腾曲线； 三、环境因素分析 该仪器不仅能够测量光合速率，还能够分析影响光合作用的各种环境因素，如光照强度、温度、CO2浓度和水分状况。这些数据有助于了解植物对环境变化的响应和适应性。 四、农业生产指导 在农业生产中，光合作用测定仪用于评估作物的光能利用效率，指导灌溉、施肥和病虫害管理。通过优化作物的光合作用，可以提高作物的产量和品质。 五、科学研究与生态监测 光合作用测定仪在科学研究中用于研究植物对气候变化的响应，如全球变化对植物光合作用的影响。在生态监测中，该仪器帮助评估生态系统的碳固定能力和健康状况。 光合作用测定仪是植物光合速率分析的重要工具，它通过精确测量光合速率和分析环境因素，为植物生理学研究、农业生产指导和生态监测提供了强有力的技术支持。随着对植物生态功能和全球变化影响认识的加深，光合作用测定仪将在相关领域发挥更加重要的作用。

粮食不需要土地种植，可以在生产车间中制造出来。如今，这个看似天方夜谭的想象正在成为可能。日前，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“天津工业生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于北京时间9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》。“这也意味着，我们所需要的淀粉，今后可以将二氧化碳作为原料，通过类似酿造啤酒的过程，在生产车间中制造出来。”天津工业生物所所长马延和说。将二氧化碳还原生成甲醇，再转化为淀粉淀粉是人类粮食的最主要成分，同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由农作物通过光合作用，将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。长期以来，科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率。这次，天津工业生物所的科研人员就成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此，将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。“我们想到了光能—电能—化学能的能量转变方式。”天津工业生物所副所长王钦宏说：“首先，光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电水解产生氢气；然后，通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率。”自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。王钦宏说：“要想人工实现这个过程，关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。”科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉，还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。“也许在不久的将来，不需要种地，也能够满足我们对碳水化合物的需要。”王钦宏说。在人工合成途径构建上实现跨越式突破不依赖植物光合作用、人工合成碳水化合物，一直是世界各国科学家的梦想。此前，华人科学家杨培东曾带领团队利用聚糖反应成功将二氧化碳转化为多种单糖混合物。“但是，他们还尚未实现复杂碳水化合物的人工定向合成。”天津工业生物所副研究员蔡韬说：“也就是说，他们的路线方法合成的是多种简单糖类化合物的混合物，还很难定向到其中的一种。”专家介绍，淀粉高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度电能和氢能，低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳，以及复杂合成途径到简单合成途径3个方面。此前，在众多科研人员的努力下，前两个问题已基本得到了解决。“这次，我们主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。”马延和说。他介绍，一是跨越了人工途径进化的鸿沟。克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学不匹配等瓶颈，二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升；二是跨越了从虚拟到现实的鸿沟。团队用计算机可以设计出很多条合成途径，通过各种模块的组装和适配，最终筛选出了符合条件的路径，实现了人工淀粉合成。“经过分析鉴定，我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质，都和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。据科研团队介绍，在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。马延和说：“这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。”创新科研组织模式，让不同专长的团队协同攻关专家预计，如果未来该系统过程成本能够降低到可与农业种植相比的经济可行性，将可能会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。重大原创性突破的背后，除了科研团队多年的努力和坚持之外，科研组织模式的创新功不可没。天津工业生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用，开展需求导向的科技攻关，集聚所内外创新资源，加强“学科—任务—平台”整合，实现各方科研力量的有机融合和高效协同。研究所根据项目研究需求进行人才布局，组建了当初平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队。传统科研模式一般以课题组为单元进行，优势是能够集中在一个领域方向，但不是所有的研究项目都适合这样的模式。马延和说：“比如，我们这个项目是一个多领域多方向交叉的工作，这就需要将具备不同专长的人和团队组织起来，协同合作才能够完成，传统科研模式显然不太适合。”根据项目特点，研究所创立了新的科研组织模式，即三维管理模式。“三维管理模式，具体来说就是所里统一拨付经费，设立总体研究部、研究组和平台实验室。”蔡韬说：“总体研究部负责项目矩阵管理；研究组是根据领域方向和学科布局设置的特色学科组，实现专业分工；平台实验室则负责为项目提供装备方法支撑。”“在这种新模式下，要实现哪一步目标、需要哪些人来做哪些任务，我们在整个项目层面都会事先进行具体分析。”蔡韬说，“比如，途径设计就是由所里生物设计中心科技组来负责，总体研究部通过任务分解，将相关研究任务定向委托给他们。简单来说，这个模式更容易实现专业的人做专业的事，全预算的方式也能够保证团队一直稳定地做这一件事。”项目实施过程中，也会对承担分任务的科研团队进行严格考核。通不过考核的团队，则由新的团队替换来重新完成任务。“整个项目过程中，共有十多个小团队参与。”蔡韬说，“不同团队聚在一起，为一件事、一个目标、一个任务共同努力，协同攻关，最终实现了原创性重大突破。”

泰安航天特种车有限公司，是国家定点生产特种汽车的国有企业，承担着油田、矿山等系统重型专用特种车的科研生产任务，致力于将公司建设成为产品技术先进、质量保障、批产能力强大的国内综合实力一流的特种车科研生产基地。近期，对其车间焊接供气系统进行新改建项目，其中涉及到低温气体。 捷锐根据焊接车间的用气种类和用气量，量身设计低温供气系统，该供气系统可用于低温储槽或储罐，低温液体经过汽化器汽化后进入本系统，通过减压器为下游管路提供稳定的大流量气体。该系统结构紧凑，设置双安全阀超压保护。捷锐低温减压器，专为低温气体设计，适用大流量气体分配系统，整体式膜片独特结构设计，保证高流量、低压降、不冻结，确保低温供气系统正常运行。捷锐气体终端箱，采用金属外壳，采用是减压式输出和流量式输出结构，其中燃气气体终端配有回火防止器，全面考虑产品使用的有效性和安全性。终端箱采用捷锐自主研发生产的减压器和流量计。 捷锐在工业气体控制领域已有40多年的经验，工业的领域广大，技术复杂，工业气体控制的产品与技术具有非常大的发展空间。我们将始终致力于提供安全、稳定的供气系统及配套产品。关于捷锐 捷锐企业（上海）有限公司成立于1993年，专精研发制造高洁净之集中供气系统及流体控制相关零件、组件、系统设备、焊割器具、仪器仪表等。产品主要应用在半导体、气体、化工、生物科技、核电、航天、食品等行业。厂区内配备欧美最先进的高科技生产设备，并设置中央实验室、检测室及Class 10/100/1000无尘室。GENTEC?捷锐荣获ISO 9001，ISO13485，API SPEC Q1等国际质量体系认证，并获权使用美国UL及欧盟CE标志。 GENTEC?拥有全球40余年的市场、研发及制造经验，提供流体系统整体解决方案，遍布全球的行销服务网络，赢得全球用户的信赖。媒体联络人： 销售联系人：部门：市场部 部门：工业行销部联系人：汪蓉蓉 联系人：曹永年电话：021-67727123-116 电话：13701757351

液化天然气，被公认为地球上最干净的能源。液化天然气燃烧后对空气污染非常小，而且放出的热量大，是一种比较先进的能源。其储存在-161.5摄氏度、0.1MPa左右的低温储存罐内。捷锐针对LNG在运输、存储和使用过程中遇到的气体压力调节控制系统，推出系列配套产品，包括过低温调节阀、稳压阀、安全阀、减压器、单向阀、加注口等，并为顾客提供低温供气系统整体解决方案。 低温调节阀，分别为LC851系列增压调节阀、LCE851系列节气调节阀、LCC851系列增压/节气双调节阀三种调节阀，其结构紧凑，适合小空间安装使用，按 CGA G-4.1 标准清洗零件，适合纯氧环境下使用。 255L 系列稳压阀，适用于大流量管道供气系统及切换系统，其显著的特点是内部平衡阀式构造，确保在较大流量输出时，能维持较低的压降，整体结构紧凑、重量轻。 853系列减压器，专为低温杜瓦罐出气口减压而设计，广泛应用于液氧、液氩、液氮、二氧化碳等供气的场合，带有高压泄压阀，提高产品安全性。 低温介质专用的回气口和加注口，采用优质 316L 不锈钢制造而成，坚固、耐用的结构更适合快速充装环境，特殊密封设计，有效防止加注过程中的泄漏。 关于捷锐 捷锐企业（上海）有限公司成立于1993年，专精研发制造高洁净之集中供气系统及流体控制相关零件、组件、系统设备、焊割器具、仪器仪表等。产品主要应用在半导体、气体、化工、生物科技、核电、航天、食品等行业。厂区内配备欧美最先进的高科技生产设备，并设置中央实验室、检测室及Class 10/100/1000无尘室。GENTEC?捷锐荣获ISO 9001，ISO13485，API SPEC Q1等国际质量体系认证，并获权使用美国UL及欧盟CE标志。 GENTEC?拥有全球40余年的市场、研发及制造经验，提供流体系统整体解决方案，遍布全球的行销服务网络，赢得全球用户的信赖。

在央视综合频道播出的纪录片《共同的家园》第3集共利中，中国科学院植物研究所匡廷云院士带领的研究团队长期利用硅藻开展光合作用机理研究及人工模拟，以提高太阳光能的利用率，减轻对化石能源的依赖。“基于自然的解决方案，坚实可靠地”实现“双碳”目标。北京易科泰提供的ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统、FKM多光谱荧光动态显微成像系统在纪录片中闪亮登场。点击以下视频一饱眼福吧。ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统由大型平板式培养器（标配25L，可选配100L或定制其它容积大小）、控制系统及在线监测系统组成，集成光养生物反应器技术、叶绿素荧光监测技术、水体／藻类光合呼吸监测技术、营养盐在线监测技术等先进科学技术，可广泛应用于藻类生理生态学研究实验、水体富营养化模拟实验、海水酸化控制实验、水体光合呼吸监测控制实验、藻类利用与有效控制研究、藻类生物质能源研究实验，以及其它藻类生物工程、生态工程、环境工程等实验研究。FKM（FluorescenceKineticMicroscope）多光谱荧光动态显微成像系统是目前功能最为强大全面的植物显微荧光研究仪器，是基于FluorCam叶绿素荧光成像技术的显微成像定制系统。它由包含可扩展部件的增强显微镜、高分辨率CCD相机、激发光源组、光谱仪、控温模块以及相应的控制单元和专用的工作站与分析软件组成。它不仅可以进行微藻、单个细胞、单个叶绿体乃至基粒-基质类囊体片段进行Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭、OJIP快速荧光响应曲线、QA再氧化等各种叶绿素荧光及MCF多光谱荧光（multicolorfluorescence）成像分析；还能通过激发光源组进行进行任意荧光激发和荧光释放波段的测量，从而进行GFP、DAPI、DiBAC4、SYTOX、CTC等荧光蛋白、荧光染料以及藻青蛋白、藻红蛋白、藻胆素等藻类特有荧光色素的成像分析；更可以利用光谱仪对各种荧光进行光谱分析，区分各发色团（例如PSI和PSII及各种捕光色素复合体等）并进行深入分析。真核与原核藻类的光合固碳达到地球上光合固碳总量的一半，对缓解大气中CO2的积累起着重要作用。利用微藻固碳是世界上最主要、最有效的固碳方式之一，并具备经济可行、环境友好和可持续性等无可比拟的优势。北京易科泰生态技术有限公司致力于先进光生物反应器和藻类光合生理无损检测技术的推广、研发与应用服务，曾推出“微藻生物固碳研究仪器推荐”专题，助力实现“双碳”目标。仪器名称功能常用参数/程序在微藻固碳研究中的作用AquaPen手持式藻类荧光测量仪快速测量叶绿素荧光参数Fv/Fm、NPQ、JIPtest、LightCurve快速评估固碳候选藻种在高浓度CO2下的光合活力和光能转化效率AP-kit藻类光合生理检测盒快速轻松获得叶绿素荧光参数和光合呼吸速率参数Fv/Fm、NPQ、JIPtest、LightCurve、光合放氧速率综合评估固碳候选藻种在高浓度CO2下的光化学转化效率及CO2同化率MC10008通道藻类培养与在线监测系统8通道的精确控光培养及在线生物量评估培养周期及环境参数设定；OD680&OD720提供精确可控的培养环境（光、温度、气体），在线评估微藻生物量浓度（比色法），筛选优质固碳藻种FMT150藻类培养与在线监测系统精确控光培养及多参数调控监测培养周期及环境参数设定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（选配）、溶解CO2（选配）提供精确可控的培养环境（光、温度、气体，可选恒化及恒浊培养），在线评估微藻生物量浓度，对微藻的光合生理状态、培养液溶解CO2浓度进行在线监测ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统25L、100L及以上容积的规模化藻类培养，精确控光培养及多参数调控监测培养周期及环境参数设定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（选配）、溶解CO2（选配）提供精确可控的培养环境（光、温度、气体，可选恒化及恒浊培养），在线评估微藻生物量浓度，对微藻的光合生理状态、培养液溶解CO2浓度进行在线监测，培养优质固碳藻种及工业应用FluorCam叶绿素荧光成像系统高通量测定微藻叶绿素荧光参数Fv/Fm、NPQ、φPSII、qP、Rfd、ETR、LC曲线等高通量筛选光合突变体；高通量筛选高光化学效率、低热耗散的高效固碳藻种AOM藻类荧光在线监测系统微藻叶绿素荧光在线监测Ft、Fv/Fm、OJIP、FixArea（与藻类浓度线性相关）在线评估微藻生长状况及浓度

2009年11月25日，由中科院福建物构所陈学元研究员主持完成的中国科学院科研装备研制项目“低温高分辨激光光谱测试系统的研制”，通过中国科学院计划财务局组织的现场技术测试及专家验收。　　该项目创新性地提出模块化和开放式光路设计方案，采用了多光栅组合、快响应微通道板型光电倍增管和时间相关单光子计数等技术，集成多种激光光源，成功地研制了低温高分辨激光光谱测试系统，实现了高灵敏度和高分辨率(时域和频率域)的超微弱荧光信号探测。所研制仪器的分辨率比最好的商用光谱仪提高了近20倍，可达到0.0057 nm 可测荧光寿命最短极限为11 ps 采用了闭循环交换气型低温光学恒温器和自主设计的低温样品杆，克服了常规谱仪低温下无法换样品的弊端，低温下换样品时间仅需5分钟，实现了3 K下皮秒瞬态荧光的快速检测。项目执行期间，申请相关专利7件，利用该仪器取得的实验数据已发表了SCI论文50多篇。　　验收专家组对该仪器研制给予很高评价，认为其总体技术指标达到国际先进水平，其中3 K下皮秒瞬态荧光的快速检测等关键技术指标处于国际领先水平，标志着我国在高分辨激光光谱学领域的仪器研制创新能力取得了重要进展，为我国物理、化学和材料学等学科领域提供了一个先进的分析和研究平台。

“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。　　合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。　　合成化学功不可没　　合成化学，这一概念大家也许并不陌生。早在1902年，第二届诺贝尔化学奖颁发给合成化学大师、生物化学之父——Emil Fischer 1905年诺贝尔化学奖则颁发给Fischer的导师、化学染料合成大师——Adolf von Baeyer，这两位合成先驱的高超合成技法至今看来仍然精彩至极。　　此后又有多位合成化学家陆续斩获诺贝尔化学奖。可以说在百年诺奖历史上，合成化学家的名字举不胜举，合成化学在人类发展过程中的重要地位也可见一斑。　　所谓合成化学，就是使用简单、易得、廉价的化学原料通过一系列的化学反应最终得到目标产物。合成化学并不狭义地仅限于有机合成化学，无机合成化学、纳米化学都是典型的合成化学，因成功制备单质F2而获得诺贝尔化学奖的药剂师Moissan以及因为发明合成氨方法而获得诺贝尔奖的Fritz Haber也是著名的合成化学家。　　我的一位化学启蒙老师曾说：“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。　　合成化学的局限　　然而，随着工业化的发展，越来越多的问题也开始浮出水面。上个世纪，《寂静的春天》一书犀利地指出了人类化学工业发展给自然带来的巨大问题，其中充满讽刺意味的是引起严重污染的DDT分子。其作用发现者和推广者Paul Hermann Müller却在1948年获得诺贝尔生理学或医学奖。DDT此后一度被禁止使用并且引发了科学家们对于合成化学危害性的进一步讨论。　　但是故事远没有结束，由于暂时还未能找到一种更经济有效、对环境危害又小且能代替DDT的杀虫剂，世界卫生组织于2002年宣布，将重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以预防疟疾、登革热、黄热病等在世界范围的卷土重来。　　随着地球上石油储备的日渐减少，合成化学面临着新的挑战，目前以石油工业为基础的化学合成工业未来将何去何从引人深思。悲观者认为，随着石油的耗尽，人类将逐渐倒退回石器时代 乐观者认为，聪明的合成化学家一定能开发出新的廉价原料以替代石油化工原料。　　斯坦福大学化学系主任、著名化学家B.M.Trost提出了他的解决方法：化学反应的“原子经济性”(Atom economy)，即在化学品合成过程中，合成方法和工艺应被设计成能把反应过程中所用的所有原材料尽可能多地转化到最终产物中。　　如果原料能百分之百地转化为产物，那是令人满意的，因为这样可以尽可能减少副产物对于环境的污染和对于资源的浪费。但是这仅仅是一个退守的方案，而并不是一个最终的解决办法。现有的常见原料迟早都会耗尽、大量低沸点有机溶剂的使用始终难以避免、重金属催化的反应越来越多……如果没有革命性的新理念，恐怕多年后合成化学将面临更大的危机。　　“年轻”的合成生物学　　近年来，“合成生物学”的概念开始进入我们的视野。　　ACS(美国化学学会)在2012年推出关于合成生物学的杂志ACS Synthetic Biology 我国天津大学、中科院植生所、武汉大学药学院、中科院生物物理所纷纷成立合成生物学及相关平台 清华大学生命科学院教授陈国强、戴俊彪都无私提供自己的科研实验室支持本科生进行合成生物学研究探索。　　那么，何谓“合成生物学”呢?　　2000年E. Kool将之定义为基于系统生物学的遗传工程，从基因片段、人工碱基DNA、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程的生物技术新领域。　　很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上，合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。　　助解多种难题　　那么，合成生物学有望解决哪些问题呢?　　首先是能源问题。　　石油、煤、天然气都来自于古代植物对于太阳能的积累，是将太阳能转化为化学能储存的反应过程。严格地说这些都应该是可再生资源，但是亿万年的形成周期实在让人类无法等待，因此这些资源成为了“非再生资源”。　　那么是否能够加速这一过程?是否可以通过合成生物学构建新的生命反应体系快速有效地固定太阳能并转化成更够为人类利用的化学形式?　　某些经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质，被人们称为“生物柴油”，目前已经有一些使用“生物柴油”的热机问世。但是此项研究问题不少，远远不足以解决日益严峻的能源危机问题，这需要更多代的科学家不懈努力。　　其次是化工原料问题。　　我们的祖先早已开发出了酿酒、酿醋等微生物发酵技术，除了食用，乙醇和乙酸都是重要的工业原料。除此之外，微生物还能通过糖酵解等过程为我们提供丁醇、乳酸、甲烷等工业原料。通过其他方法，还可以从中获取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潜在工业价值的原料。　　或许很多年后，工业上不再使用乙烯生产量来衡量化工生产能力，而开始利用全新的模块、原料来构建新的工业大厦，这些原料不再来源于石油，而是从发酵罐中源源不断取来。　　第三，则是医药健康问题。　　真菌、放线菌、植物能够产生结构新颖、生物活性多样的次级代谢产物，大部分临床抗生素来源于这些次级代谢产物。其中很多药物分子由于天然含量低、提取困难等因素，目前还是通过全合成或半合成为主要方式得到，因此价格昂贵。　　通过合成生物学手段，将产生这些代谢产物的基因簇进行异缘表达并利用发酵工程进行大规模制备，将可能是一个解决药品供应和价格昂贵问题的方法。但是这一过程并不容易实现，需要涉及到很多代谢途径改造、密码子优化、瓶颈效应避免等问题。绝不是说只要发现的天然产物就可以立刻大规模发酵得到，每一个化合物的工业化生产都是一个巨大的挑战。　　此外，合成生物学还有助于解决环境问题。　　“白色污染”成为上个世纪人类最为头疼的环境问题之一，可降解塑料的研究也成了科学界的热点问题。“生物塑料”是一个比较新的概念，目前发现60个属以上的细菌能够合成并贮藏聚β-羟基丁酸(PHB)的颗粒。PHB无毒、可塑、易降解，可用于制作医用塑料器皿和外科手术线等。　　通过合成生物学手段有望得到更高产、更多样性的生物塑料生产菌株。取之于自然、用之于自然，人与其他生物和谐相处，这将是解决环境问题的必由之路。　　(作者单位系中科院上海有机化学研究所)

光合作用测定仪是一种用于测量植物光合作用速率的仪器，广泛应用于多个行业。 首先，在农业领域，光合作用测定仪是研究作物生理特点和评估作物生长状况的重要工具。通过使用光合作用测定仪，农民和农业科研人员可以了解作物的光合作用情况，从而更好地选择作物品种、调整种植策略和优化农业生产。 产品链接https://www.instrument.com.cn/netshow/SH104275/C542987.htm 其次，在生态学和环境科学领域，光合作用测定仪也被广泛应用于研究植物生态系统和评估环境变化对植物生长的影响。通过测量植物的光合作用速率，科学家们可以了解植物对环境的适应能力以及环境变化对植物生长的影响，为环境保护和生态修复提供科学依据。 此外，在林业、园艺、草地保护等领域，光合作用测定仪也有着广泛的应用。这些行业的从业者可以通过使用光合作用测定仪来评估植物的生长状况、预测植物病虫害的发生概率以及制定更加科学的植物养护方案。 总之，光合作用测定仪在多个行业中都有着广泛的应用价值，为人们提供了更加科学、准确的植物生理数据，为农业生产、环境保护和植物研究等领域提供了有力支持。

编者注：如何理解这一突破的意义呢？中新网如此评价：“继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。”各位网友对此前景展开了脑洞大开的想象：首先，是对农业的影响，人工合成代替自然生产，粮食生产不再受限于土地面积。其次，碳中和问题，困扰全球的全球变暖有望通过这一途径得到解决。最后，宇宙探索，三位宇航员的吃播场面让我们大开眼界，但长期宇宙探索的食物供应仍是待解决的问题，这一突破可以解决二氧化碳充裕地区的食物供应问题，如火星、金星等。近期，中科院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。成果于9月24日在国际学术期刊《科学》上发表。淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。记者了解到，目前，人类使用的淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。由于淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。“农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产淀粉需要较长的生产周期和较大种植面积，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。如果能设计人工生物系统，不依赖植物从二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。”天津工业生物技术研究所所长马延和告诉记者。科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理（从左至右）在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中科院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一（C1）化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。记者了解到，这一人工途径的淀粉合成速率是自然界中玉米淀粉合成速率的8.5倍。研究所副研究员、论文第一作者蔡韬表示，这一人工途径突破了传统植物低密度光能固碳转化的局限，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。据蔡韬介绍，在计算设计的人工途径中，获得碳一到碳三化合物直接聚合的生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。为此，研究团队从头设计构建了非自然碳碳缩合酶，实现了C1到C3化合物的直接聚合。进一步，研究团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉途径，实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成，将天然淀粉的羧化-还原-重排-聚合的复杂合成过程简化为人工淀粉的还原-聚合的合成过程，显著降低了合成的复杂度。这一设想也成为天津工业生物技术研究所瞄准的前沿方向。2015年，研究所以项目制模式布局二氧化碳到淀粉人工合成的攻关任务。几年时间里，研究团队从头设计了一条只需11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，科研人员展示人工合成淀粉样品（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄由于缺少自然途径长期的进化过程，研究中面临的另一难题是不同物种的生物酶催化剂难以适配。针对这个问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，通过别构调控优化、顺序分步反应创建，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配设计等问题，获得淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径，实现直链淀粉和支链淀粉的可控合成。“按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地的玉米淀粉年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。如果未来该系统过程的成本能够降低到具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的影响。”蔡韬告诉记者。这一成果得到国内外领域专家的高度评价，认为该工作是“典型的0到1的原创性突破”，不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有重要影响，也对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。