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该研究由Hongjuan Bai、Zhaoming Zhang、Yu Guo和Wanli Jia共同完成，分别来自中国北方大学化工与生态研究所和山西大学生命科学与技术学院。研究论文《Biological synthesis of size-controlled cadmium sulfide nanoparticles using immobilized Rhodobacter sphaeroides》于2009年4月18日在线发表在《Nano Express》期刊上。
该研究的主要科学领域是纳米材料的生物合成技术，特别是利用光合细菌Rhodobacter sphaeroides（球形红细菌）合成尺寸可控的硫化镉（CdS）纳米颗粒。近年来，生物合成纳米材料作为一种新型的纳米颗粒合成技术，吸引了越来越多的关注。许多生物能够在细胞内或细胞外提供无机材料，例如磁细菌可以产生磁铁矿纳米颗粒，硅藻可以合成硅质材料，甚至植物如苜蓿也能够产生被有机配体包围的金簇。然而，硫化镉纳米颗粒的生物合成方法中，细胞内合成使得下游处理变得困难，而细胞外合成则依赖于真菌分泌的酶。本研究旨在探索利用光合细菌Rhodobacter sphaeroides进行尺寸可控的硫化镉纳米颗粒生物合成，并研究其动态过程和光学特性。
研究流程主要包括以下几个步骤：
菌株培养与固定化
研究首先从山西大学生命科学与技术学院获取了Rhodobacter sphaeroides菌株，并在含有苹果酸钠、硫酸镁、酵母提取物和硫酸铵的培养基中培养72小时。培养后的菌体通过离心分离，并用蒸馏水洗涤，最终获得约1克湿重菌体。随后，将菌体与聚乙烯醇（PVA）混合，形成包裹微生物细胞的凝胶珠，平均直径约为3毫米。这些凝胶珠在硼酸溶液中“退火”18小时，并在生长培养基中激活后用于实验。
硫化镉纳米颗粒的生物合成
合成实验在1000毫升无菌血清瓶中进行，瓶中包含20克固定化的Rhodobacter sphaeroides和500毫升含有1.0 mM CdCl2的培养基。溶液在30°C、黑暗和好氧条件下孵育36小时。反应完成后，沉淀物用蒸馏水洗涤数次，并在50°C的真空炉中干燥3小时，最终获得硫化镉纳米颗粒，产率约为85%。
纳米颗粒的表征与分析
合成的硫化镉纳米颗粒通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、选区电子衍射（SAED）和能量色散X射线光谱（EDXS）进行表征。XRD分析显示，纳米颗粒具有立方晶系结构，晶粒尺寸约为4.3纳米。TEM和HRTEM图像显示，纳米颗粒呈球形，平均尺寸分别为2.3±0.15纳米、6.8±0.22纳米和36.8±0.25纳米，分别对应36小时、42小时和48小时的培养时间。EDXS分析表明，纳米颗粒由镉和硫元素组成，Cd:S的比例为0.97:1.00，与预期值一致。
硫化镉纳米颗粒的动力学研究
通过TEM观察了Rhodobacter sphaeroides在1 mM CdCl2培养基中培养不同时间后的细胞内镉的动态过程。结果表明，镉离子（Cd2+）在反应初期逐渐被运输到细胞内，并在36小时后大量形成硫化镉纳米颗粒。随着培养时间的增加，纳米颗粒的尺寸逐渐增大，这与半胱氨酸脱硫酶（cysteine desulfhydrase）活性的增加有关。
光学特性分析
通过紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱和光致发光（photoluminescence）光谱分析了不同培养时间下合成的硫化镉纳米颗粒的光学特性。结果表明，纳米颗粒的带隙（bandgap）随尺寸减小而增大，显示出量子尺寸效应（quantum size effects）。例如，36小时和42小时合成的纳米颗粒的吸收峰分别为282纳米和332纳米，而48小时合成的纳米颗粒的吸收峰接近体相硫化镉的512纳米。
研究的主要结论是，利用固定化的Rhodobacter sphaeroides成功合成了尺寸可控的硫化镉纳米颗粒，并且通过调节培养时间可以精确控制纳米颗粒的尺寸。此外，研究还揭示了镉离子从溶液运输到细胞内的动态过程，以及纳米颗粒的光学特性与其尺寸之间的关系。这一发现为纳米材料的生物合成提供了一种绿色、简便的调控方法。
该研究的科学价值在于首次利用光合细菌Rhodobacter sphaeroides实现了尺寸可控的硫化镉纳米颗粒的生物合成，并详细研究了其合成动力学和光学特性。这一方法不仅简化了纳米颗粒的合成过程，还为纳米材料在光电子器件、生物传感器等领域的应用提供了新的可能性。
研究的亮点包括：
1. 首次利用固定化的Rhodobacter sphaeroides合成尺寸可控的硫化镉纳米颗粒；
2. 通过调节培养时间实现了纳米颗粒尺寸的精确控制；
3. 揭示了镉离子运输和纳米颗粒形成的动态过程；
4. 研究了纳米颗粒的光学特性与其尺寸之间的关系，证明了量子尺寸效应的存在。
此外，研究还表明，固定化的Rhodobacter sphaeroides可以方便地与硫化镉纳米颗粒分离，这为纳米颗粒的后续应用提供了便利。这些发现为纳米材料的生物合成和调控提供了新的思路和方法，具有重要的科学意义和应用价值。