人工光合作用领域再迎突破——一颗微球，把二氧化碳变成糖和淀粉

（来源：环球网资讯）

来源：科技日报

科技日报记者 罗云鹏

把二氧化碳变成葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖、淀粉等多种高附加值产品，过去主要依赖植物光合作用，如今人工光合作用已取得一系列积极进展。

近日，人工光合作用领域再次迎来新突破。

中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室研究员王博、于涛团队，设计出一种空间区室化的人造光合水凝胶微球，将光能捕获、微生物固碳和产物合成三个环节装进一个微球里，构建了一个极具通用性的材料—生物杂合平台。

相关成果近日发表于国际期刊《美国化学会志》。

光催化剂和微生物“合不来”

人造光合作用的思路，是用人工办法复刻植物的本事，把阳光和二氧化碳变成有用的物质。

这一思路听上去简单：让光催化材料吸收光能产氢，再让固碳微生物拿氢去固定二氧化碳。

但实践起来却面临重重难关。

第一重难关，环境“合不来”。

光催化产氢需要成分简单的反应介质和合适的牺牲电子供体。

而微生物培养离不开营养丰富的培养基。

光催化产氢和微生物培养对化学微环境的要求，本质上是拧着的。

“光催化要简单介质，微生物要丰富营养，‘脾气’完全相反。

”王博说。

直接把催化剂投进菌液，培养基里的酵母提取物、硫化钠会把活性位点堵死，催化活性一落千丈。

若把两者分别装进独立反应器，氢气从气相到液相的传质又成了新的限速步骤。

这导致隔也不是，混也不是。

第二重难关，光照“谈不拢”。

光催化剂需要强光照才能维持较快的产氢速度，可多数天然固碳菌见光就“受伤”。

强光底下，菌根本活不下来。

第三重挑战，难度更大。

光催化模块与生物转化模块之间，用什么化学物质来衔接？目前较成熟的方案是让蓝藻等光合微生物分泌蔗糖等代谢物，为下游异养微生物提供碳源。

可这条路受限于代谢物跨膜运输效率低、分解代谢物阻遏和碳回收率低等因素，复杂的代谢物背景还会干扰下游催化过程。

总而言之，人工光合作用的瓶颈在于：光催化材料和固碳微生物各自厉害，但合不到一块。

“能不能找到一种既高效供给又广泛兼容的中间体，成了能否打通全链条的关键。

”王博说。

此前，国内外同行已各显神通：有人致力于高效光催化剂研发，有人专注介质设计，也有人尝试杂合体反应平台以及下游工程生物底盘设计与构建。

可这些方案分头着力，以上三道难题依旧存在。

面对这种困境，研究团队提出，用水凝胶微球这种形式构建一种新型材料—生物杂合体。

一个“单间”解决光毒性难题

研究团队的具体思路，是在水泥基区内用物理屏障把光催化区和微生物区分开，拿氢气当短程电子传递媒介，再拿乙酸当上下游的化学桥接分子，力争在同一个体系里同时解决三道难题。

循着这个假设，团队开始配制培养基。

他们用二硫苏糖醇替换掉原来的抑制组分，配出既能养菌又能催化的双功能培养基。

换了配方，COF/Pt/Cr2O3光催化剂5天产氢量达到62.0毫摩尔每克，比原先提升16倍。

培养基理顺了，微球怎么造？团队以海藻酸钠和羧甲基纤维素为基质，用钙离子交联将它们“粘”在一起，做出直径约4毫米的双网络水凝胶微球。

微球外壳里均匀分散着COF/Pt/Cr2O3光催化剂，内核则嵌着一块经高温碳化的三聚氰胺泡沫。

光催化产氢的问题解决了，接下来要选固碳的“工人”。

团队看中了伍氏醋酸杆菌。

它天生厌氧，能高效利用氢气产乙酸，是理想的固碳微生物。

可它偏偏怕光，见光几小时就会失活。

微球内核那块碳化三聚氰胺泡沫，正好能给它造一个暗处安身的“单间”。

其中，双网络结构让微球既扛得住搅拌，又留得住催化剂和菌，是整个设计的“骨架”。

碳化泡沫为细菌提供安全居所。

它黑而多孔，透射光谱测试显示，它能挡住超过99%的紫外线和可见光，气体分子和营养却进得来、出得去。

“光催化在外壳跑，微生物在内核长，一颗微球里面装着一个独立‘单间’。

”王博说，把伍氏醋酸杆菌接种进碳化泡沫内核，外壳在强光下持续产氢，内核里的菌却待在暗处，相安无事。

数据印证了这一点。

在60毫瓦每平方厘米的强光下连续运行10天，活/死细胞荧光染色和活性氧检测都显示，内核里的菌始终状态良好。

作为对照，无泡沫保护的裸菌，48小时内几乎全部失活。

一边生机勃勃，一边全军覆没。

光毒性这道坎，就这样被一块黑色泡沫化解了。

效率差距同样悬殊。

这套人造光合水凝胶微球系统10天累计产出212.4毫克每升乙酸，氢气到乙酸的摩尔转化效率达88.85%。

而把催化剂和菌简单混在一起的对照组，产出乙酸只有23.7毫克每升，效率仅7.9%。

一里一外，空间区室化把光和生物的耦合效率提升了一个数量级。

通用平台产出多种高价值产品

光驱下的二氧化碳固定已跑通，稳定又高效，可产业链还差最后一环——下游怎么把乙酸变成更高价值的产品。

真正打通全链条的是乙酸。

乙酸可被多种工业微生物经乙酰辅酶A合成酶吸收，进入中心碳代谢，转化为乙酰辅酶A。

乙酰辅酶A是细胞代谢的“枢纽站”，无数产物都从这里分流，而乙酸能直达这个枢纽。

“乙酸就是我们找到的那座桥。

”于涛说，“有了它，底盘细胞就能按各自携带的不同合成途径，把乙酸分别转化为葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。

”

这带来了模块化的好处：上游光催化产氢、微生物固碳产乙酸这两段固定不变，想换产品，只需替换下游的酵母底盘细胞。

整个微球系统作为一个通用平台，能够无缝衔接各种工程酵母，从而将二氧化碳升值为多种高附加值产品。

以往光合生物制造，换一种产品往往要推倒重来。

人造光合水凝胶微球让上游不动、只换下游，省下了大量重复试错。

这个平台的价值，不在于产出某一种产物，而在于它搭好了一个“底盘”，让后续具有通用性的拓展变得简单。

至此，从光能捕获到高值产物合成的全链条，在一颗毫米级微球里串了起来。

光催化产氢、微生物固碳、产物转化三个模块，物理上各自独立，功能上咬合有序。

凭借出色的通用性，它为二氧化碳无缝衔接各类微生物工程底盘及资源化利用，提供了一条灵活、可拓展的新路。

“下一步，我们将进一步探索高效且适用于微生物的杂化体系设计，并开发适用于中性pH和高离子强度环境的新型光催化剂，从而全面提升系统的能量转化效率与运行可持续性。

”王博说。

这一成果为二氧化碳高值化利用打开了想象空间。

从工业尾气到大气碳捕集，凡有二氧化碳处，皆有变废为宝的可能。

一颗微球的故事，才刚刚开场。

电压控制光子芯片有望提升智能眼镜显示屏效率

电压控制光子芯片有望提升智能眼镜显示屏效率 （映维网Nweon 2026年10月21日）智能眼镜需要紧凑高效的显示屏，既能呈现细腻图像，又不会消耗过多电量。

激光束扫描是实现相关要求的一种方案。

这类显示屏不采用固定像素阵列，而是让激光束在视场内偏转扫描，逐点构建图像。

借助快速扫描镜并更快速地切换颜色，就能在不增大光学元件尺寸的情况下获得更高分辨率图像。

然而，现有系统在激光颜色控制的速度和效率上仍存在局限。

电流控制限制颜色切换 激光束扫描显示屏要生成全彩图像，需将红、绿、蓝三色激光合成为单一输出光束。

传统系统通过改变供给各色激光二极管的电流来控制每种颜色的强度。

与外部光调制相比，直接电流调制的带宽更窄，这限制了颜色切换速度，进而限制了可实现的成像分辨率。

此外，激光二极管必须工作在阈值电流以上才能输出足够光强，这也推高了功耗。

芯片上的电压控色 TDK团队开发出一种光子芯片，片通过电压控制激光而不再持续改变供给激光器的电流，从而克服了上述局限。

具体做法是，施加在芯片上的电压会在红、绿、蓝三色光合并为单一输出光束之前，分别调节各色光的强度。

研究人员采用铌酸锂薄膜制造器件。

铌酸锂的光学特性可通过电场调控。

芯片集成了三个马赫-曾德尔干涉仪，每个基色各用一个。

这些结构将光分束后再合束，使施加电压能够控制通过各通道的光强。

随后，由铌酸锂波导构成的多路复用器将三色光汇合为一束。

实验中，研究人员通过施加在芯片上的电压分别控制各颜色通道；将各通道组合起来后，系统便能产生全彩输出。

研究人员同时将器件与MEMS扫描镜集成，展示了它在激光束扫描系统中生成全彩图像的潜力。

更快切换，更低功耗 速度是这项研究的重点之一。

芯片实现了10吉赫兹的调制带宽。

研究人员称，这一带宽足以支持4K及更高分辨率。

方案不再依赖直接调制激光二极管来实现快速颜色控制，从而解决了限制传统激光扫描显示屏分辨率的一个因素。

电压控制设计同时显著降低了能耗。

研究人员发现，与传统方案相比，系统可将总功耗降低75%以上。

由于光强可由光子电路控制，而不必靠维持较高的激光电流来实现，设计省去了用于削减多余激光输出的中性密度滤光片。

这些改进共同应对了激光扫描显示屏小型化中的多项相互关联的挑战：切换速度、功耗以及所需光学元件的数量。

降低损耗，面向可穿戴显示 研究人员总结称，薄膜铌酸锂电路提升了将高分辨率成像与智能眼镜所需小巧体积相结合的现实可行性。

所演示的10 GHz带宽和全彩输出提供了实验证据，证明外部电压控制可支撑超紧凑激光束扫描显示屏。

相关论文：Thin-film lithium niobate photonic integrated circuit for laser beam scanning imaging 后续改进将着重降低光在通过铌酸锂波导时以及三色光合并过程中的光学损耗。

损耗降低后，系统整体效率有望提高，也能为将这类光子电路集成到紧凑型可穿戴显示屏中提供更有力的依据。

--- 原文链接：https://news.nweon.com/143700

2026年光合作用测定仪选型：育种科研场景的效率升级

客户背景与需求痛点 本次案例的服务对象为某省农科院下属育种研究所，该单位常年承担粮食作物抗逆育种、高光效品系筛选等国家级科研项目，2026年以来随着新品系测试样本量从往年的300份提升至1200份，原有旧设备的短板完全暴露，团队面临多个亟待解决的实际问题： 原有设备未配置温度、压力补偿模块，夏季大田35℃以上的测试环境中，CO₂数值漂移幅度最高达12%，远不符合NY/T 2067-2011《植物叶片光合速率测定 便携式光合仪法》规定的误差范围，大量数据需要复测，拖慢项目进度 旧设备为实体按键操作，单次最多存储10组数据，育种人员每份样本都要手动编号记录，后续整理100份样本的参数需要2个工作日，数据匹配错误率超过8% 野外续航仅4小时，一上午仅能完成20余份样本测试，需要反复往返试验田和营地充电，错过光合作用峰值的最佳测试时段，数据代表性不足 旧设备总重量超过12kg，需要2人配合搬运操作，在垄沟密集的育种试验田移动十分不便，很难完成跨区块的流动测试 莱恩德解决方案 针对该育种研究所的实际场景需求，莱恩德为其推荐了LD-GH1型光合作用测定仪，该产品完全符合NY/T 2067-2011的技术规范，多项功能精准匹配育种科研的痛点需求： 采用双波长红外二氧化碳分析器，内置温度调节及大气压力测量单元，可有效抵消环境温度波动带来的数值漂移，CO₂浓度测定误差稳定控制在3%FS，满足高光效育种的高精度数据要求 搭载Android操作系统与7寸高灵敏触摸屏，可同步采集15项植物光合相关参数，用户可自定义编辑实验备注，直接在设备端录入育种材料编号、处理组别等信息，无需事后补记 整机总重量不到5kg，搭配定制手提箱方便单人携带，8000mAh锂电池支持10-12小时野外连续作业，完全覆盖作物光合峰值的全时段测试窗口 内置多组数据批量分析模块，试验完成后可直接对不同品系的光合速率、气孔导度等参数做横向对比，支持免驱动U盘直接拷贝导出数据，省去大量后处理时间 据公开行业数据显示，2025年国内植物生理检测仪器市场规模突破17亿元，其中育种科研领域的设备采购占比超过32%，用户对场景适配性、操作便捷性的需求正在快速提升，LD-GH1的功能配置恰好匹配该类用户的核心诉求。

全流程交付与培训服务 2026年10月设备到货后，莱恩德技术工程师第一时间抵达现场启动全流程交付： 首先完成拆箱核验与硬件校准，严格按照NY/T 2067-2011的校准规范，依次完成气路密封性检测、CO₂传感器校准、温湿度模块校准、光合有效辐射模块校准，确认所有参数精度符合要求后才交付用户使用 随后开展半天的理论培训，系统讲解光合测定的基础原理、国标要求的操作规范、不同作物叶片的叶室适配方法，帮助育种团队所有参与使用的人员吃透操作底层逻辑 接下来的2天时间里，工程师全程陪同科研人员在小麦育种试验田、人工气候室两个典型场景开展实操训练，手把手指导叶室夹持角度调整、数据稳定状态判定、多组数据对比分析等操作，所有参与人员通过独立实操考核后工程师才离场 后续7天内安排专属技术人员远程跟进，随时响应测试过程中遇到的各类操作问题，确保设备快速融入现有科研流程 使用效果对比 设备正式投入使用1个月后，该育种研究所对新旧方案的核心指标做了系统对比，结果如下： 该团队今年已完成1200份育种材料的光合参数采集，所有数据均达到科研项目的精度要求，没有出现批量复测的情况。

客户反馈 该单位相关负责人表示，之前困扰团队大半年的大田数据漂移、测试效率低的问题，使用莱恩德这款光合作用测定仪之后都得到了妥善解决，今年的高光效育种材料筛选进度比往年提前了15天，整体人力时间成本节省了近40%，设备的便携性和稳定性超出了团队的预期。

问：LD-GH1型光合作用测定仪的市场价大概在什么区间？ 答：该型号光合作用测定仪市场价为18000元，同参数配置下相比同级别进口机型的采购成本降低了60%左右，很适合育种研究类科研团队的预算规划。

问：光合作用测定仪的操作门槛高不高，非设备专业的育种人员能不能快速上手？ 答：莱恩德LD-GH1光合作用测定仪搭载Android操作系统和7寸高灵敏触摸屏，操作逻辑和普通智能手机相近，配合配套的操作培训，零基础人员可在3个工作日内独立完成全流程测试操作。

问：野外大田温度波动大的场景下，设备的检测精度能不能达到行业标准要求？ 答：LD-GH1采用双波长红外二氧化碳分析器，内置温度调节及大气压力测量单元，完全符合NY/T 2067-2011的规范要求，CO₂浓度测定误差3%FS，可在-20℃到80℃的宽温度区间保持稳定输出。

问：光合作用测定仪满电状态下可以支持多长时间的野外连续作业？ 答：莱恩德LD-GH1光合作用测定仪配备8000mAh大容量锂电池，满电状态下可在野外连续使用10-12个小时，可覆盖育种科研人员全天的大田测试需求。

问：采集的光合测试数据要怎么导出，能不能批量做多组数据对比分析？ 答：LD-GH1支持免驱动U盘直接拷贝数据，设备端内置数据分析模块，试验完成后可直接对多组数据同步批量分析，无需额外导入第三方软件预处理，方便育种人员快速完成不同品系的光合参数对比。

问：这款光合作用测定仪适合哪些作物场景的测试工作？ 答：LD-GH1光合作用测定仪可适配人工气候室、温室、大棚、大田等多种场景，可完成小麦、水稻、果蔬、林木等不同类型植物的活体叶片光合参数检测，适配绝大多数育种研究所的测试需求。

问：平时设备日常维护有什么需要注意的地方？ 答：LD-GH1采用模块化传感器设计，日常使用后只需用无尘软布擦拭叶室表面的灰尘即可，定期按照操作手册做气路校准即可长期稳定运行，不需要复杂的维护流程。