Улавливание и обнаружение нанопластиков с помощью MXene

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3573 (2022) Цитировать эту статью

11 тысяч доступов

39 цитат

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Загрязнение нанопластиком, конечным продуктом фрагментации пластиковых отходов в окружающей среде, вызывает растущую озабоченность научного сообщества из-за более легкого распространения и более высокой опасности, связанной с их небольшими размерами. Поэтому существует острая потребность в эффективных стратегиях количественного определения и удаления нанопластиков из сточных вод. В этой работе представлен захват нанопластиков «на лету» в трехмерном (3D) пространстве многофункциональными оксидными микророботами на основе MXene и их дальнейшее обнаружение. Для преобразования Ti3C2Tx MXene в фотокаталитический многослойный TiO2 используется процесс термического отжига с последующим осаждением слоя Pt и декорированием магнитными наночастицами γ-Fe2O3. Микророботы γ-Fe2O3/Pt/TiO2, полученные из MXene, демонстрируют отрицательную фотогравитаксис, что приводит к мощному бестопливному движению с шестью степенями свободы под воздействием светового облучения. Благодаря уникальному сочетанию самодвижения и программируемого дзета-потенциала микророботы могут быстро притягивать и улавливать нанопластики на своей поверхности, в том числе в щелях между многослойными стопками, обеспечивая их магнитный сбор. Используемые в качестве самодвижущихся платформ для концентрирования, они позволяют осуществлять электрохимическое обнаружение нанопластиков с использованием недорогих портативных электродов. Это исследование, подтверждающее концепцию, открывает путь к скринингу нанопластиков в воде «на месте» и их последовательному устранению.

Образы морской среды, полной пластиковых пакетов, бутылок и других пластиковых отходов, запечатлеваются в нашем сознании и отражают неготовность человечества управлять ими1,2. К сожалению, реальная опасность пластика не ограничивается только тем, что видно нашим глазам. Пластиковые материалы распадаются на более мелкие кусочки размером менее 5 мм, называемые микропластиком3. В дальнейшем они могут распадаться на еще более мелкие и опасные кусочки (1–1000 нм), называемые нанопластиками4,5,6. Фактически, микропластик обычно оседает на морском дне, а нанопластик остается во взвешенном состоянии в воде из-за своего меньшего веса7. Затем они переносятся океанскими течениями, диффундируя за короткое время. Из-за высокого соотношения поверхности к объему нанопластики могут поглощать большое количество токсичных загрязнителей в воде и служить субстратом для роста патогенных бактериальных биопленок, повышая их токсичность7,8. В отличие от микропластика, они легко проникают в ткани, создавая серьезный риск для здоровья всех живых существ9.

Обнаружение нанопластиков в пробах воды и их последующее удаление имеет решающее значение. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM) позволяют визуализировать нанопластики, но не предоставляют другой информации о пластиковом материале10. Аналогичным образом, анализ отслеживания наночастиц (NTA) измеряет распределение и концентрацию нанопластиков по размерам путем регистрации рассеянного света от падающего светового луча11. Методы масс-спектрометрии также перспективны для изучения нанопластиков. В связи с этим Митрано и его коллеги синтезировали нанопластики с металлическим ядром, чтобы отслеживать их судьбу в окружающей среде с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS)12. Однако стратегия быстрого и «на месте» скрининга нанопластиков в пробах воды без необходимости использования дорогостоящих лабораторных инструментов и специализированного персонала отсутствует13. Кроме того, решающее значение имеет очистка вод, загрязненных нанопластиками. Традиционные подходы к удалению микропластика, такие как фильтрация, не подходят для нанопластиков из-за их крошечного размера14. С другой стороны, концепция захвата микропластиков электростатическими силами с использованием противоположно заряженных магнитных частиц и их последовательного сбора магнитами потенциально может быть распространена на нанопластики15.

1% H2O2) due to their asymmetric structure. However, their low speed and the required toxic H2O2 made them less attractive than the MXene-derived γ-Fe2O3/Pt/TiO2 microrobots, whose motion did not require fuel or surfactant. Most of the observed microrobots exhibit Brownian motion in dark and autonomous motion under UV-light irradiation on the focal plane (xy plane). Figure 3a reports two frames showing the trajectories of two microrobots after 5 s in dark (left panel) and after 5 s under UV-light irradiation (right panel), while the corresponding video, including also other microrobots, is Supplementary Movie 2. They display a rapid on/off switching of motion with the UV-light, which is reflected in the quick variations of the instantaneous speed vs. time in Fig. 3b. Moreover, a remarkable deceleration is noted within a few s from the beginning of the UV-light irradiation, followed by a plateau. The motion behavior of these microrobots results from the equilibrium between the gravitational force, the buoyancy force, and the driving force of their light-powered self-propulsion, as illustrated in Fig. 3c. The driving force, in combination with the buoyancy force, is not powerful enough to overcome the gravitational force exerted on the microrobots. As a consequence, they can move only at the bottom of the vessel, like for most of the reported semiconductor-based micromotors16,25. This typical motion behavior, limited to the xy plane, will be referred to as “2D motion” in this manuscript./p>2 mg g−1 after 5 min)61, despite having a larger surface area and being utilized under external agitation./p>