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纳米颗粒和紫外线清洁环境污染物

发布时间:2018-05-16    点击量:30

em来自MIT的一项新研究显示了纳米粒子如何清理环境污染物,揭示纳米材料和紫外线可以“捕获”易于从土壤和水中去除的化学物质。 / em

环境中的许多人造污染物通过自然过程抵抗降解,并破坏哺乳动物和其他动物的激素和其他系统。用现有方法去除这些有毒物质 - 包括杀虫剂和内分泌干扰物,如双酚A(BPA) - 通常是昂贵和耗时的。

在本周在Nature Communications上发表的一篇新论文中,麻省理工学院和巴西戈亚斯联邦大学的研究人员展示了一种使用纳米粒子和紫外线(UV)光来快速分离和提取土壤和水中各种污染物的新方法。

Ferdinand Brandl和Nicolas Bertrand是两位主要作者,他们是麻省理工学院Koch综合癌症研究所David H. Koch研究所教授R​​obert Langer实验室的前博士后。 (联邦戈亚斯大学的Eliana Martins利马是另一位合着者)Brandl和Bertrand都接受过药剂师的培训,并将他们的发现描述为一个快乐事故:他们最初试图开发可用于交付的纳米粒子药物对癌细胞。

Brandl之前合成的聚合物可通过暴露于紫外线而分开。但是他和伯特兰开始质疑他们是否适合用于药物输送,因为紫外线可能会损害组织和细胞,并且不会穿透皮肤。当他们得知某些处理厂使用紫外线消毒水时,他们开始提出另一个问题。

“我们认为如果他们已经在使用紫外线灯,也许他们也可以使用我们的颗粒,”Brandl说。 “然后我们想出了使用我们的颗粒去除水中有毒化学物质,污染物或激素的想法,因为我们发现,一旦用紫外光照射它们,颗粒就会聚集起来。”

一个'怕水'污染的陷阱

研究人员从聚乙二醇合成了聚合物,聚乙二醇是缓泻剂,牙膏和滴眼液中广泛使用的化合物,经食品和药物管理局批准用作食品添加剂,聚乳酸是用于可堆肥的杯子和玻璃器皿中的可生物降解塑料。

由这些聚合物制成的纳米粒子具有疏水核心和亲水壳。由于分子尺度的力量,在溶液中疏水性污染物分子向疏水性纳米颗粒移动,并吸附在它们的表面上,在那里它们实际上变得“被困住”。当意大利面条酱弄脏塑料容器表面时,同样的现象在起作用它们是红色的:在这种情况下,塑料和油基酱都是疏水性的并且一起相互作用。

如果单独放置,这些纳米材料将保持悬浮并均匀地分散在水中。但是当暴露于紫外线时,颗粒的稳定外壳脱落,并且 - 现在被污染物“富集” - 它们形成更大的聚集体,然后可以通过过滤,沉降或其他方法去除。

研究人员使用该方法从污水中提取邻苯二甲酸盐,用于软化塑料的激素干扰化学物质; BPA是另一种内分泌干扰合成化合物,广泛用于塑料瓶和其他树脂消费品中,来自热敏打印纸样品;和多环芳烃,燃料不完全燃烧形成的致癌化合物,污染土壤。

该过程是不可逆转的,聚合物是可生物降解的,从而最大限度地减少了留下有毒的二次产品持续存在于水中的风险。 “一旦他们转向这种宏观状况,他们就是大团体,”伯特兰说,“你将无法再次将它们带回纳米状态。”

研究人员表示,这一根本性的突破证实了小分子确实被动地吸附在纳米粒子的表面上。

“据我们所知,这是第一次可以直接测量小分子与预先形成的纳米颗粒的相互作用,”他们在Nature Communications上写道。

纳米清洁

他们说,更令人兴奋的是从环境修复到医学分析等广泛的潜在用途。

聚合物在室温下合成,不需要专门制备靶向特定化合物;它们广泛适用于各种疏水化学品和分子。

“我们利用去除污染物的相互作用是非特定的,”Brandl说。 “我们可以去除同一样品中存在的激素,双酚A和农药,我们可以一步完成。”

而纳米颗粒的高表面积与体积比意味着只需要少量去除相对大量的污染物。因此,该技术可以为污染水和土壤的更广泛的成本效益清理提供潜力。

“从应用的角度来看,我们在系统中表明,纳米粒子表面的小分子吸附可用于任何种类的提取,”Bertrand说。 “它为许多其他应用打开了大门。”

他推测,这种方法可能会进一步发展,以取代广泛使用有机溶剂,从咖啡的脱咖啡因到制造油漆稀释剂。伯特兰援引滴滴涕,自1972年以来被禁止在美国用作杀虫剂,但仍在世界其他地区广泛使用,作为可能使用这些纳米材料补救的持久污染物的另一个例子。 “对于分析应用来说,你不需要太多的体积来纯化或浓缩,这可能很有趣,”伯特兰说,提供一个便宜的医疗患者尿液分析测试工具包的例子。

该研究还表明,开发用于环境修复的纳米级药物递送技术的更广泛的潜力。

“我们可以应用一些为制药行业开发的高精密度,高精度的工具,现在从更广泛的角度来看这些技术的使用,这是惊人的,”Frank Gu说,他是化学工程的助理教授加拿大滑铁卢大学以及医疗保健和医疗应用纳米工程专家。

Gu说:“当你考虑现场部署时,这是远远不够的,但这篇论文提供了一个真正令人兴奋的机会来解决持续存在的问题,”Gu说,他没有参与这项研究。 “如果你采用传统的土木工程或化学工程方法来处理它,它就不会触及它。这就是最令人兴奋的部分。“

发表:Ferdinand Brandl等人,“Nanoparticles with photoinduced precipitation for the extraction of pollutants from water and soil,”Nature Communications 6,Article number:7765; DOI:10.1038 / ncomms8765

来源:麻省理工学院新闻Jonathan Mingle

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