碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写为CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp²杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米[1]。

图1：碳纳米管[1]；图源：维基百科

单壁碳纳米管（缩写为SWCNTs）是一类具有独特光电特性的碳纳米管。在高强度照明条件下具有良好光稳定性，能够吸收宽带频率的光，并以近红外荧光的形式重新发射吸收的能量，这使其能够在长期、连续和定量的光学传感和成像方面得以应用。

这些特性使单壁碳纳米管成为纳米生物技术领域许多新应用的理想选择。例如：将单壁碳纳米管放置在哺乳动物细胞内，使用近红外成像监测它们的新陈代谢。单壁碳纳米管在哺乳动物细胞中的插入也促进了将治疗药物输送到其细胞内靶点的新技术。而在植物细胞中，它们已被用于基因组编辑。单壁碳纳米管也已被植入活体小鼠体内，以证明它们能够对体内深处的生物组织进行成像。

但迄今为止的研究，尚实现未将单壁碳纳米管放入细菌内部。难点在于，不同于哺乳动物的细胞，细菌没有内吞作用机制；另一方面，细菌细胞往往有着保护性的外层结构—细胞壁，而动物细胞则没有，单壁碳纳米管如何突破这层屏障成为了难题。

综上，单壁碳纳米管如何进入细菌完成内化是需要解决的技术难点和挑战。

图2：细胞内外物质交换图源：Light新媒体

令人惊喜的是，近日瑞士洛桑联邦理工学院的学者实现了让细菌自发吸收荧光碳纳米管，开启了新的生物技术应用。

该研究中探索了两种细菌，集胞藻属和念珠菌属，属于蓝藻门，这是一个通过光合作用获得能量的巨大细菌群——就像植物一样。它们也是“革兰氏阴性”，这意味着它们的细胞壁很薄，并且它们具有“革兰氏阳性”细菌所缺乏的外膜。

革兰氏阴性蓝藻对单壁碳纳米管的吸收，发现用带正电荷生物分子修饰的单壁碳纳米管可以被光合蓝藻细胞选择性内化，使用溶菌酶包衣的单壁碳纳米管能够自发穿透细胞壁，进入光合蓝藻细胞。使用共焦显微镜对细胞内的单壁碳纳米管进行近红外荧光成像， 观察到单壁碳纳米管的高度不均匀分布特点。对细胞生长和分裂的近红外监测表明，单壁碳纳米管具有子细胞遗传性。此外，这些细胞保留了光合活性，在与生物电化学装置结合时显示出改进的光生电特性。

该成果发表在Nature Nanotechnology，题为“Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaic”。

图3（封面图）：注入纳米粒子的捕光细菌，是可以用作发电的“活光伏”；图源：Giulia Fattorini

第一次：细菌中的荧光碳纳米管首次实现光合蓝藻细胞内化碳纳米管

该团队分别使用DNA和溶菌酶作为单壁碳纳米管的涂层，碳纳米管自身的近红外荧光作为标记，利用共聚焦显微镜进行观察检测，结果显示，带有DNA涂层的单壁碳纳米管无法穿过透细胞的外部肽聚糖层，而带有溶菌酶涂层的单壁碳纳米管则可以穿透。通过免疫金标记溶菌酶，在透射电子显微镜下观察到，在没有单壁碳纳米管的情况下，仅溶菌酶室无法穿透完整的光合蓝藻细胞。通过拉曼光谱法研究了带有溶菌酶涂层的单壁碳纳米管在细胞内的分布情况，结果显示，单壁碳纳米管分布在了整个细胞体积内。

通过对照内化和非内化细胞的析氧速率来监测细胞光合活性，结果显示单壁碳纳米管内化后，细胞活性仍表现良好。另外，单壁碳纳米管内化后，细胞在持续光照30分钟的情况下表现出了近红外荧光稳定性，表明细胞对单壁碳纳米管的光电特性没有显著影响。综上，使用溶菌酶涂层的单壁碳纳米管可以被光合蓝藻细胞内化，且对细胞和单壁碳纳米管都不会产生性能的影响。

图4：细胞内单壁碳纳米管荧光的延时近红外共公焦成像，最后一帧的同心黄色圆圈表示细胞外围和细胞中心。比例尺：3um；图源：Nature Nanotechnology

该团队还研究了单壁碳纳米管被细胞内化的机制。通过采用热失活的溶菌酶作为参照评估了酶活性对单壁碳纳米管吸收的影响，排除了酶活性是引起细胞内化的原因。进而推测固有的物理化学蛋白质特性是引起细胞内化单壁碳纳米管的原因。进一步研究证实，带有正电荷的涂层能够驱动单壁碳纳米管与负电荷细胞膜之间的静电相互作用，有助于单壁碳纳米管穿透细胞。

遗传纳米仿生学内化单壁碳纳米管的细胞具有遗传特性

通过共聚焦红外显微镜，观察细胞分裂前后单壁碳纳米管的分布情况，从而分析内化了单壁碳纳米管细胞的遗传特性 。通过100小时的观察，细胞表现出正常的生长、分裂形态。近红外光谱显示，单壁碳纳米管在原始细胞和子细胞中都存在，表明细胞的单壁碳纳米管特性被遗传。Boghossian（通讯作者）举例说：这就像给你装上一个机械手臂，让你拥有了超能力，你的孩子出生时可以从你那里继承这支机械手臂的超能力。我们不仅赋予细菌这种人为的行为，而且这种行为也被它们的后代遗传。这是我们首次展示遗传纳米仿生学。”[2]

图5：内化了单壁碳纳米管的细胞分裂过程近红外荧光图像 ；图源：Nature Nanotechnology

“活”光伏内化单壁碳纳米管细胞的生电特性

“活”光伏是利用光合微生物产生生物能量的装置。另一个有趣的发现是，当将纳米管放入细菌体内时，细菌在光照下产生的电能显着增强。内化了单壁碳纳米管的光合蓝藻胞让活体光伏设备的实现成为了可能。具有光合作用的细胞可以利用太阳能，吸收二氧化碳，同时解决了太阳能转换和二氧化碳封存的问题，成为了活的太阳能电池。从而为当前能源危机和气候变化的应对提供了良好的解决方案。

论文信息 ：

Antonucci, A., Reggente, M., Roullier, C. et al. Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaics. Nat. Nanotechnol. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01198-x

参 考 文献：

[1]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E7%AE%A1

[2]https://actu.epfl.ch/news/nanotubes-illuminate-the-way-to-living-photovoltai/

文章来源：公众号【中国光学】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。

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