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。

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。

世界上最“敏锐”的眼：单光子探测器，量子时代的视网膜

一、看见一颗光子，到底有多难 上一篇《世界上最“孤独”的光》里，我们认识了单光子发射器——量子时代的“心脏”，负责把光子一颗一颗精准地发出去。

但发射只是上半场。

一颗以光速奔袭而来的光子，如何在抵达的瞬间被“抓住”、被“看清”？这就要请出今天的主角——单光子探测器（Single-Photon Detector），量子时代的“视网膜”。

一个管发出，一个管看见，合在一起，量子信息的世界才算真正睁开了眼睛。

看见单个光子，是自然界给精密测量出的最苛刻考题。

一支普通激光笔的功率约1毫瓦，每秒射出的光子数以万亿计；而单光子探测器要捕捉的，是一次只来一颗、能量仅约10⁻¹⁹焦耳的光子。

这份能量小到什么程度？把它放大亿亿倍，才勉强够点亮一只LED一瞬间。

更麻烦的是，探测器还必须在“没有信号”时保持绝对沉默——任何一点热噪声引起的误报，都可能被当成光子，让整个系统信以为真。

所以，衡量单光子探测器的核心，是它能否又快、又准、又安静地回答四个问题。

来了没有（探测效率）？来了几个（光子数分辨）？何时到达（时间抖动）？从哪个方向来（空间分辨）？这四个问题，恰好对应量子技术最在意的四件事：信号别漏、数目别数错、时刻别报偏、位置别搞混。

二、量子之眼：它是整个量子技术的“读出”环节 量子通信的成码率，几乎直接由探测器效率决定。

量子密钥分发（QKD）里，信息驮在单光子上一路狂奔，经过上百公里光纤或上千公里星地链路后，往往衰减到每个脉冲只剩零点几个光子——探测器效率每差10%，成码率就实打实地掉一截。

我国科研团队刷新的千公里级光纤量子密钥分发世界纪录、“墨子号”卫星实现的星地量子通信，背后都是单光子探测器在终端“值守”。

有行业统计显示，全球已有超过27个城市部署了以单光子探测器为核心的QKD安全通信网络。

图1 “墨子号”量子科学实验卫星（图源：公开报道概念图） 光量子计算的“算力兑现”，同样押在探测器身上。

“九章”系列光量子计算原型机用光子完成高斯玻色采样，运算的最后一环，是数清每个输出端口“蹦出来”几个光子——这个环节由超导纳米线单光子探测器（SNSPD）担纲。

探测器效率低一分，采样就要多跑许多轮；暗计数多一分，计算结果就掺一分假。

可以说，没有高效率的“量子之眼”，光量子计算的优越性无从谈起。

图2 “九章三号”光量子计算原型机（图源：公开报道概念渲染图） 在经典世界，它同样是“暗弱光感知”的天花板。

单光子激光雷达能在极远距离、极弱回光下完成三维成像；卫星激光测距靠它给千里之外的反射光掐秒表；天文观测中，系外行星的微弱光子、深空激光通信的数据流，都要靠它捕捉；生物医学的荧光寿命成像，则用它给单个分子“计时”。

凡是光弱到“数着颗收”的场景，都是它的主场。

三、门派林立：从真空管到纳米线 单光子探测器的江湖，五代技术同台竞技。

最年长的是光电倍增管（PMT），真空管结构，增益高、暗计数低，在可见光波段服役了大半个世纪，至今仍是高能物理实验的主力，但体积大、怕磁场，近红外波段无能为力。

第二代是雪崩光电二极管（APD/SPAD），半导体工艺、可室温或半导体制冷工作，InGaAs材料可覆盖1550纳米通信波段，“墨子号”的星地实验用的就是这类器件——优点是便宜皮实，短板是暗计数和后脉冲偏高，极限指标与超导器件拉开差距。

SiPM则把成千上万个SPAD像素集成到一片芯片上，是车载激光雷达的主流选择。

超导阵营里还有“称重派”TES（转变边沿传感器），能量分辨本领一流、能直接称出光子能量，但响应慢——时间抖动在纳秒量级、计数率不到1MHz，跟不上高速场景。

真正的“六边形战士”，是超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。

它的原理与半导体探测器完全不同：超导材料的能隙只有毫电子伏特量级，而在1550纳米通信波段，一颗光子的能量约0.8电子伏特——足以在纳米线上拆散成千上万个库珀对，形成“热点”，瞬间掐断超导、输出一个电脉冲。

配上2~4K的低温工作环境，SNSPD交出的成绩单是：探测效率最高冲到98%以上、暗计数低至每秒个位数、时间抖动几十皮秒、计数率数十MHz，四项关键指标全面领先。

它的代价，是离不开一台低温制冷机。

图3 SNSPD器件结构示意：Si衬底／DBR反射镜／NbN-SiO₂-NbN三明治结构／双层纳米线（图源：中科院上海微系统所，经光子盒整理） 四、2026年的中国答卷：SNSPD“三级跳” 今年7月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李浩、尤立星团队的超导单光子探测工作被行业媒体系统盘点：99%探测效率、32光子数分辨、千像素面阵，一口气完成“三级跳”。

这三跳，分别回答了“看得见”“数得清”“照得全”三个问题。

第一跳，把探测效率的天花板顶到了99%。

传统单层纳米线结构里，“吸收效率”与“响应效率”是一对冤家：线厚了好吸收光却不好产生响应，线薄了响应灵敏光却容易漏过去。

团队设计出“超导／绝缘层／超导”三明治结构——两层NbN超导薄膜中间夹3纳米厚的二氧化硅，两层膜共同吸光、每层依然足够薄，把这对矛盾巧妙解耦；再叠加法布里-珀罗光学腔，器件在1550纳米通信波段的系统探测效率达到99%。

作为参照，美国NIST与NASA JPL在2013年创下的著名纪录是93%。

更难得的是工程良率：同一批次45个器件中，73%效率大于80%、36%大于90%——这意味着它从“实验室孤品”走向了“可批量制备”。

第二跳，是从“有没有”到“有几个”——32光子数分辨。

国际主流的光子数分辨方案靠分束器或延时线把光拆成多路再分别计数，但拆光本身就会带来损耗。

上海微系统所团队反其道而行：把敏感区做成32个可独立响应、共用读出通道的纳米线单元——光子触发几个单元，输出脉冲幅度就有几档，从一根读出线上的脉冲高度就能直接反推光子数目。

没有分光损耗，单光子效率保持98%，可分辨光子数达到32，是目前单通道SNSPD方案中公开报道的最高值；2光子探测保真度87.4%，时间抖动低至40皮秒，计数率41MHz。

第三跳，是从单点探测器到千像素“相机”。

单光子激光雷达和天文成像要求知道光子“从哪来”，这需要成百上千个探测器协同工作。

团队先后研制出44、88、3232阵列，其中3232阵列（1024像素）采用行列复用架构：上下两层纳米线分别按行、列连接，光子触发某一像元后由行列“符合”确定坐标——1024个像素只靠64路读出线寻址，像素良率94%，1550纳米波段本征探测效率最高77%。

至此，SNSPD同时握住了光子的数量、时间和空间三种信息。

图4 3232 SNSPD阵列行列复用架构示意（图源：中科院上海微系统所，经光子盒整理） 五、从实验室到货架：一只眼睛的产业化 科研突破的最后一公里，是变成买得到、用得稳的产品。

上海微系统所团队孵化的赋同量子，是国内率先实现SNSPD规模产业化的企业，产品线覆盖超导纳米线芯片、功能化模组、整机系统和配套低温设备，累计出货300多套，国内商用市场占有率超过80%，在探测效率、通道集成度、暗计数等关键指标上优于国际同类商用产品。

放眼全球，ID Quantique、Single Quantum、Photon Spot、Quantum Opus与赋同量子共同占据第一梯队。

市场正在给这只“量子之眼”开出越来越高的估值。

据行业咨询报告，2025年全球单光子探测器市场规模约8.7亿美元，其中SNSPD贡献超过四成；亚太地区以34.2%的份额首次超越北美，成为最大区域市场；预计到2030年，市场规模将攀升至约24.6亿美元。

量子密钥分发仍是第一大应用，而生物医学成像与车载激光雷达正以约27%和32%的年增速，成为拉动市场的新的双引擎。

图5 赋同量子超导单光子探测系统（图源：赋同量子） 结语 发出一颗光子，再看见这颗光子——量子时代最动人的闭环，正在被一步步焊牢。

上一篇的主角单光子发射器，解决“从哪来”；这一篇的主角单光子探测器，守住“到没到”。

一个在源头点亮量子信息的最小单元，一个在终端守住最后的诚实。

当探测效率冲上99%、千像素面阵睁开、成本随产业化逐年下探，这只世界上最敏锐的眼，看到的不只是光子，还有量子技术通向千行百业的路。

下一篇，这双眼睛望向哪个领域？欢迎留言告诉我们。

主要资料来源 · 光子盒QUANTUMCHINA《超导单光子探测器完成三级跳：99%探测效率、32光子数分辨、千像素面阵》，2026年7月31日 · 产业世界《全球单光子探测器行业发展咨询报告（2026）》，2026年8月 · Market Growth Reports《Single Photon Detectors Market Report》，2026年8月 · 中科院上海微系统所SNSPD相关研究论文（Optics Express 28, 36884；Photonics Research等）