基于海绵的马达与荧光信号集成，用于微塑料捕获

《Journal of Colloid and Interface Science》：Sponge-based motor integrated with fluorescence signal for microplastics capture

本研究开发两种复合海绵电机，分别通过H?O?分解和磁场驱动实现水中聚乙烯微塑料的快速捕获与荧光追踪，为微塑料监测与治理提供新方法。

　　

孙亚静|王春晖|安家宝|徐静|杨秋生|徐阳

河北工业大学化学工程与技术学院，中国天津市北辰区西平路5340号，300401

摘要

塑料产品的广泛使用导致微塑料（MPs）在生态系统中的普遍存在，对环境构成了巨大威胁。因此，迫切需要量化并清除这些微塑料。本研究提出了两种基于复合海绵的电机，它们具有不同的驱动机制，可用于捕获水中的聚乙烯（PE）微塑料并进行荧光追踪。第一种电机由过氧化氢（H₂O₂）驱动，通过原位聚合在三聚氰胺海绵表面涂覆PDA；随后沉积二氧化钛（TiO₂）和掺硼碳纳米颗粒（BCNPs），形成具有Janus结构的BCNPs/TiO₂/PDA@MS材料。该材料在0.29%（重量百分比）的过氧化氢溶液中可移动速度为0.11毫米/秒，并能在20分钟内通过范德华力快速捕获PE微塑料。为了提高基于海绵的电机的适应性，我们合成了磁性驱动海绵（BCNPs/PDA/Fe₃O₄@MS）。在外加磁场的作用下，BCNPs/PDA/Fe₃O₄@MS的移动速度可达0.77毫米/秒。由于BCNPs具有优异的荧光性能和丰富的表面官能团，这两种基于海绵的电机均可作为高效的荧光标记平台，可用于水溶液中微塑料的捕获与检测。这项实验为微塑料的监测和处理提供了新的途径。

引言

塑料工业的发展显著提高了人们的生活水平。塑料是一种广泛应用的材料，具有优异的延展性、易于制造且成本低廉[1]。由于塑料的无节制使用，全球塑料产量从1950年的150万吨增加到2018年的3.67亿吨[2]。塑料污染问题逐渐演变为微塑料（MPs）危机。微塑料因其微小尺寸和毒性特征而受到全球关注。微塑料分为初级微塑料和次级微塑料：初级微塑料包括制造过程中产生的微小塑料颗粒、碎片和超细纤维；次级微塑料则通过外部应力分解、变性等过程从大块塑料中形成[3]。在水环境中，75%的海洋污染物来自塑料，其中许多属于次级微塑料[4,5]。这些微塑料主要来源于聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等[6]。土壤中的微塑料主要来源于塑料覆盖物、垃圾填埋场和肥料中的塑料残留物[7]。当微塑料被生物体摄入后，其中的化学物质会释放到体内[8]。为应对这些威胁，亟需开发有效的微塑料修复方法和技术。

目前，已经开发出多种处理废水中的微塑料的方法，如电凝聚[9]、热处理[10]、人工湿地[11]、光催化技术[12]和吸附[13]。吸附技术因其原料来源广泛、操作简单和效率高而成为最常用的微塑料处理方法[14]。微塑料通过吸附去除的机制包括氢键作用、疏水相互作用、静电吸引和范德华相互作用[15]。多种吸附剂，如海绵[16]、磁性纳米颗粒[17]、金属[18]、生物炭[19]、活性炭[20]、气凝胶[21]和碳纳米管[22]，已被用于微塑料的吸附[23]。例如，Peng等人[16]研究了使用超疏水MOF涂层海绵（ODSOSS/TiO₂/Ni-MOF/PDA@sponge）去除微塑料的效果，该材料表现出优异的吸附性能和可回收性。Escarpa等人[17]合成了MoS₂@Fe₂O₃磁性纳米颗粒，用于微塑料的移动降解和捕获。除了吸附微塑料外，识别和追踪环境中的微塑料也存在重要意义。现有的微塑料分析和检测技术包括立体显微镜[24]、拉曼光谱[25]、扫描电子显微镜[26]、热分析技术[27]和荧光分析方法[28]。

现有的分离捕获和检测技术依赖多种仪器，存在时间成本高和人力投入大的局限性。因此，研究一种兼具捕获功能和信息反馈的新功能材料具有重要意义。本研究制备了一种基于海绵的电机（BCNPs/TiO₂/PDA@MS），通过将三聚氰胺海绵与碳纳米材料（BCNPs）结合，实现了“捕获-检测”的综合功能。其中，TiO₂的光催化活性和BCNPs的荧光特性协同作用，使得该材料能够吸附和检测PE微塑料。与传统的分离吸附和检测技术相比，BCNPs/TiO₂/PDA@MS在20分钟内即可达到吸附平衡，其吸附过程符合伪二级动力学模型。值得注意的是，培养5分钟后即可检测到荧光信号，实现了吸附过程的快速追踪。非共价相互作用（NCI）分析表明，范德华力是BCNPs/TiO₂/PDA@MS吸附PE微塑料的主要作用力。最后，为了扩展海绵电机的应用范围，我们合成了磁性海绵电机（BCNPs/PDA/Fe₃O₄@MS），这种磁性电机无需过氧化氢即可实现PE微塑料的吸附和荧光检测。

材料

盐酸、三羟甲基氨基甲烷（Tris(hydroxymethyl)aminomethane）、FeSO₄·7H₄O、FeCl₃和29%（重量百分比）的过氧化氢购自天津富辰化学试剂有限公司（中国天津）。NaOH、NaCl和硼酸购自天津科美欧化学试剂有限公司（中国天津）。聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）由广东泰素朗化工材料有限公司提供，粒径为1000目。聚乙烯（PE）由...

基于海绵的电机的制备与表征

基于海绵的电机整合了PDA、TiO₂和BCNPs，分别具有粘附性、光驱动力和荧光信号功能。罕见的三聚氰胺海绵在光学显微镜下显示出光滑的骨架（图1a）。PDA通过原位聚合形成涂层[32]，并牢固地附着在三聚氰胺海绵骨架表面，为后续BCNPs和TiO₂的沉积提供了关键基底。PDA涂层使...

结论

总结来说，我们通过简单的溶剂热反应和溶剂浸渍方法制备了一种可移动的光驱动复合海绵。多巴胺通过自聚合作用在海绵表面形成具有优异粘附性的涂层[44]，随后通过溶剂浸渍在海绵表面沉积BCNPs和TiO₂，赋予材料优异的疏水性。为了最大化荧光信号的强度，优化了BCNPs的负载量。在紫外光下...

作者贡献声明

孙亚静：撰写初稿、数据整理。王春晖：数据可视化、方法设计。安家宝：结果验证。徐静：实验研究。杨秋生：实验研究。徐阳：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢河北省自然科学基金（编号B2021202056）的财政支持。