光电锂铌酸盐平台通过光诱导作用从水分散液中积累微塑料和纳米塑料

《Advanced Materials Interfaces》：Light-Induced Accumulation of Micro- and Nanoplastics from Water Dispersion by Optoelectronic Lithium Niobate Platforms

光电子LiNbO3:Fe晶体平台通过光诱导电场实现水样中微纳米塑料的高效捕获与浓缩，检测限达1μg/L，并成功鉴别PS、PE、PMMA等不同塑料。

　　在当今社会，塑料污染已成为全球环境研究中的一个核心议题。随着工业、包装和商业活动的快速发展，塑料的使用量持续增加，导致大量废弃物进入水体，对生态环境和人类健康构成严重威胁。每年约有1至5百万吨的塑料废弃物流入海洋，而这些塑料在自然环境中逐渐降解为更小的碎片，即微塑料和纳米塑料。这些微小的塑料颗粒能够被水生生物摄入，并通过食物链传递，最终可能影响人类健康。因此，如何高效地检测和识别这些微小塑料颗粒成为环境科学领域的重要挑战之一。

目前，针对微塑料和纳米塑料的检测和分析方法正在不断探索和改进。传统的检测手段主要集中在大于20微米的颗粒上，而对于更小的颗粒，尤其是小于1微米的纳米塑料，研究仍较为有限。然而，近年来，随着对微塑料污染的重视，相关研究的热度显著上升。为了更好地识别和分析这些微小塑料颗粒，开发一种能够高效捕捉和浓缩微塑料与纳米塑料的新型技术显得尤为重要。现有的方法往往需要复杂的设备和外部电源，而新的技术则提供了一种更为简便和灵活的解决方案。

本文介绍了一种基于光电子锂铌酸盐（OE-LN）平台的微/纳米塑料捕捉和浓缩技术。该技术利用可见光在锂铌酸盐铁掺杂晶体（LiNbO?:Fe）中激发的光电场，实现对水溶液中微塑料和纳米塑料的有效收集。具体而言，当光束聚焦于晶体表面时，光生电场会促使母液滴连续地从液滴中被弹射出来。这些被弹射的液滴在晶体表面蒸发后，会留下微塑料和纳米塑料的积累痕迹。该技术能够实现高达1微克/升的微塑料浓度收集，并且在纳米尺度上也显示出良好的应用潜力。

锂铌酸盐是一种具有多种特性的晶体材料，包括非线性光学、电光效应、声光效应、压电效应和光光伏效应等。这些特性使其在光电子设备领域具有广泛的应用前景，例如电光开关、光调制器、非线性光学组件等。然而，本文首次将这种材料用于微/纳米塑料的捕捉和浓缩，展示了一种全新的应用方向。在实验中，研究人员使用了不同浓度的聚苯乙烯（PS）微塑料和纳米塑料，并通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对积累后的塑料颗粒进行了详细的观察和分析。

实验过程中，研究人员发现，随着塑料浓度的增加，积累的颗粒密度也随之提高。同时，通过调整光照射时间，可以进一步优化颗粒的积累效果。对于微塑料而言，延长光照射时间有助于获得更高的积累量。此外，研究人员还发现，在光照射过程中，由于电荷的横向迁移，积累图案中会出现一个次级环形峰值，这表明电场的分布具有一定的动态变化。而在纳米塑料的实验中，尽管颗粒尺寸更小，但其积累趋势与微塑料相似，表明该技术具有一定的通用性。

为了验证该技术在不同环境下的适用性，研究人员还测试了其在盐水中对微塑料的捕捉能力。结果显示，虽然在盐水中捕捉效率略低于淡水环境，但仍然能够实现有效积累。这一发现对于实际应用具有重要意义，因为海洋环境中的塑料污染问题尤为突出。此外，研究人员还对其他常见的塑料污染物进行了实验，包括聚乙烯（PE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微塑料，以及它们的混合物。这些实验进一步证明了该技术的灵活性和广泛的适用性。

在塑料识别方面，研究人员采用了拉曼光谱技术，这是一种非破坏性的分析方法，能够准确地识别塑料的化学成分。通过将拉曼光谱与光电子电场驱动的液滴弹射技术相结合，研究人员成功地对积累的塑料颗粒进行了化学分析，从而提高了检测的准确性和灵敏度。拉曼光谱结果显示，不同塑料在特定波长范围内表现出独特的光谱特征，使得它们能够被区分开来。这种技术不仅适用于单一类型的塑料，还能够处理多种塑料的混合物，为实际应用提供了强有力的支持。

综上所述，本文提出了一种基于光电子锂铌酸盐平台的微/纳米塑料捕捉和浓缩技术，该技术通过可见光激发晶体中的电荷分布，进而产生强大的电场，促使液滴弹射并留下塑料颗粒的积累痕迹。该方法无需外部电源和电极，能够实现对微塑料和纳米塑料的高效收集，并且适用于淡水和盐水环境。通过与拉曼光谱技术的结合，该方法还能够准确识别塑料的类型，为环境监测和污染治理提供了新的工具。这一研究成果不仅拓展了锂铌酸盐材料的应用范围，也为微塑料和纳米塑料的检测与分析提供了重要的技术支持。