華中師范大學/武漢大學合作，最新Nature Water！

多功能磁性吸附劑，捕獲微塑料

每年數億噸塑料垃圾經風化破碎后產生微塑料（MPs）和納米塑料（NPs）。相較于MPs，NPs因粒徑極小且比表面積高，更易吸附有害物質并進入細胞，生態與健康風險嚴峻。然而，傳統水處理對<100 μm的塑料去除效果有限，納濾技術易堵塞。現有吸附劑多聚焦于微米級塑料，對超細NPs（<100 nm）的廣譜去除研究匱乏，且普遍存在平衡時間長、依賴外源性標記檢測的局限。同時，主流檢測技術受限于衍射極限、需復雜預處理和專業設備，無法滿足無標記NPs的快速現場分析需求。因此，開發兼具高效捕獲與即時檢測功能的集成平臺迫在眉睫。

鑒于此，華中師范大學的龔靜鳴教授、武漢大學的陳朝吉教授合作研發了一種多功能銅摻雜聚多巴胺功能化磁性二氧化硅吸附劑（Fe?O?@SiO?@CP）。該材料集成了強大的界面粘附性、光熱活性及類漆酶催化活性，可在3分鐘內快速捕獲從納米到微米尺度的塑料顆粒，并能在溫和條件下實現多次循環利用。尤為關鍵的是，該吸附劑利用其類漆酶催化活性，將吸附事件轉化為比色信號，實現了對多種無標記納米塑料（包括<100 nm的超細顆粒）的現場檢測。結合機器學習方法，該平臺還能高特異性地區分塑料的種類和濃度。理論計算表明，非共價相互作用主導了吸附過程。在實際應用中，該吸附劑在自然水源及日常塑料用品（如塑料杯、碗、茶包）浸出液中成功實現了低濃度納米塑料的可靠捕獲與檢測，為塑料污染治理與便攜式分析開辟了新路徑。研究成果以題為“Interfacial interaction-driven rapid capture and on-site analysis of nano- and microplastics enabled by multifunctional magnetic adsorbent”發表在最新一期《nature water》上。

圖 1 | 通過 Fe?O?@SiO?@CP 對無標記 NMPs 進行快速捕獲和現場分析

材料設計與多功能特性

研究者通過分步法制備了Fe?O?@SiO?@CP。首先合成銅摻雜聚多巴胺（CP），然后將其接枝到二氧化硅包覆的四氧化三鐵表面。表征結果顯示（圖2），該材料呈泡沫狀多孔結構（孔徑~2.5 nm和~35.6 nm），比表面積達80.4 m2 g?1，表面帶正電荷（+23.9 mV）且具有疏水性（接觸角91.7°）。該材料不僅繼承了Fe?O?的超順磁性，還展現出優異的光熱性能（近紅外照射5 min升溫至59.6 °C，圖3a）。更重要的是，CP賦予了材料類漆酶活性，能催化2,4-二氯苯酚與4-氨基安替比林發生顯色反應（吸收峰510 nm），且該活性在接枝后依然保持穩定（圖3b, c）。

圖 2 | Fe?O?@SiO?@CP 的制備過程及表征

圖 3 | Fe?O?@SiO?@CP的光熱性能及漆酶樣催化性能

增強的納米/微塑料去除性能

該吸附劑對粒徑范圍20 nm至200 μm的多種塑料均表現出>90.24%的廣譜去除率。以80 nm聚苯乙烯（PS????）為模型，使用機械攪拌時，吸附在3分鐘內即可達到平衡（圖4a），去除效率高達99.61%。吸附過程符合準二級動力學模型和Freundlich模型，表明其受吸附位點主導且為多層吸附（圖4b）。吸附后，材料表面熒光增強、光熱轉換效率下降（59.6 °C降至41.6 °C）、電阻增大（圖4c-i），證實了PS????的成功負載。該材料在寬pH范圍、高溫、高鹽（500 mM）等苛刻環境下仍保持高性能，且循環使用5次后去除率仍>99.48%，金屬離子浸出濃度遠低于飲用水安全閾值，處理成本估算低至0.035美元/克塑料，顯著優于現有磁性吸附劑。

圖 4 | Fe?O?@SiO?@CP對 PS 的吸附性能及吸附前后材料性質的表征

基于類酶活性的精準現場檢測

研究發現，吸附PS????后，Fe?O?@SiO?@CP的類漆酶活性受到抑制，且抑制程度與PS濃度呈線性相關（R2=0.998），檢出限低至0.405 mg l?1（圖5a, b）。這一現象在不同粒徑（20 nm~3 μm）和不同種類（PVC、PE、PET、PA、PLA）的納米塑料中均得到驗證（圖5c）。密度泛函理論（DFT）計算揭示了吸附強度與催化抑制的關聯：PA與CP的結合能最高（-95.38 kcal mol?1），抑制最強；PE的結合能最低（-57.43 kcal mol?1），抑制最弱（圖5d）。通過機器學習主成分分析（PCA）可清晰區分不同塑料種類（圖5e）。利用建立的比色標準曲線計算出的吸附容量與重量法結果高度一致（P>0.05，圖5f），實現了對無標記納米塑料的可靠定量。結合磁富集策略，該方法可在真實水體（如長江水）中實現5 ppb級別的超低濃度檢測，回收率達93.87%~101.52%。

圖 5 | Fe?O?@SiO?@CP通過其漆酶樣催化活性的寬譜現場NMP檢測性能

吸附機理與理論計算

XPS和FTIR分析初步表明氫鍵和靜電作用參與了吸附。DFT計算進一步揭示了深層機制：靜電勢（ESP）分析顯示，PS的苯環（負電勢）與CP的氨基/羥基氫（正電勢）之間存在互補性吸引（圖6a-c）。獨立梯度模型（IGMH）分析則直觀展示了CP與不同塑料間的多種非共價相互作用（圖6d），包括π-π堆積（PS）、氫鍵（PVC、PA、PET）、疏水力（PE）以及與Cu離子的配位作用（PA、PET），證實了該吸附劑通過多模式協同作用實現廣譜捕獲的機制（圖6e）。

圖 6 | 通過密度泛函理論計算 Fe?O?@SiO?@CP對各種 NMP 的吸附機制

實際場景應用

研究團隊將該方法應用于外賣杯（PS）、茶包（PET）和一次性碗（PLA）的沸水浸出液分析（圖7a-c）。結果表明，三種樣品釋放的納米塑料濃度分別為1.64、2.32和153.89 mg l?1（圖7d-f），與熱裂解-氣相色譜-質譜聯用（py-GC/MS）結果吻合，回收率在90.80%~101.24%之間。線性判別分析（LDA）成功區分了真實樣品中的塑料種類（圖7g）。在自然水體修復方面，該吸附劑在湖水、河水、海水中對PS?????的去除率保持在70%以上（圖7i）。在0.35 kg吸附劑填充的柱式放大實驗中，連續處理10升含多種塑料的河水后，去除效率仍高達97.61%（圖7j, k），展示了其規模化應用的潛力。

圖 7 | Fe?O?@SiO?@CP對餐飲中代表性NMPs的現場檢測性能及NMPs在自然水源中的吸附性能

總結與展望

Fe?O?@SiO?@CP多功能平臺，通過仿生界面工程將高效的磁分離技術與獨特的類酶催化比色報告功能融為一體。它不僅能在分鐘級時間內通過多模式界面相互作用廣譜捕獲從20 nm到3 μm的六種典型塑料，更重要的是，它能將吸附事件直接轉化為可量化的比色信號，結合機器學習實現了對無標記納米塑料的精準現場定性與定量。該策略徹底打破了傳統方法中吸附與檢測分離、依賴昂貴儀器和外源性標記的局限，在處理成本、檢測速度和便攜性方面展現出顯著優勢。其在真實世界水源及日常塑料制品浸出液中的成功驗證，標志著我們向構建集污染治理與實時監測于一體的可持續水處理方案邁出了關鍵一步，尤其為應對亞100 nm超細納米塑料帶來的環境與健康挑戰提供了強有力的工具。