Captura e detecção de nanoplásticos por MXene | Grupo de ânodo de titânio Baoding ICCP

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3573 (2022) Citar este artigo

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A poluição por nanoplásticos, produto final da fragmentação dos resíduos plásticos no meio ambiente, representa uma preocupação crescente para a comunidade científica devido à difusão mais fácil e ao maior risco associado ao seu pequeno tamanho. Portanto, há uma demanda premente por estratégias eficazes para quantificar e remover nanoplásticos em águas residuais. Este trabalho apresenta a captura “on-the-fly” de nanoplásticos no espaço tridimensional (3D) por microrrobôs multifuncionais de óxido derivados de MXene e sua posterior detecção. Um processo de recozimento térmico é usado para converter Ti3C2Tx MXene em TiO2 fotocatalítico multicamadas, seguido pela deposição de uma camada de Pt e pela decoração com nanopartículas magnéticas de γ-Fe2O3. Os microrrobôs γ-Fe2O3 / Pt / TiO2 derivados de MXene mostram fotogravitaxia negativa, resultando em um poderoso movimento sem combustível com seis graus de liberdade sob irradiação luminosa. Devido à combinação única de autopropulsão e potencial Zeta programável, os microrobôs podem atrair e capturar rapidamente nanoplásticos em sua superfície, incluindo as fendas entre pilhas multicamadas, permitindo sua coleta magnética. Utilizados como plataformas de pré-concentração automóveis, eles permitem a detecção eletroquímica de nanoplásticos usando eletrodos portáteis e de baixo custo. Este estudo de prova de conceito abre caminho para a triagem “no local” de nanoplásticos na água e sua sucessiva remediação.

As imagens de ambientes marinhos cheios de sacolas plásticas, garrafas e outros resíduos plásticos ficam impressas em nossas mentes e refletem o despreparo da humanidade para gerenciá-los1,2. Infelizmente, o perigo real dos plásticos não se restringe apenas ao que é visível aos nossos olhos. Os materiais plásticos fragmentam-se em pedaços menores, com tamanhos inferiores a 5 mm, chamados microplásticos3. Estes podem ainda se decompor em pedaços ainda menores e mais perigosos (1–1000 nm), conhecidos como nanoplásticos4,5,6. Na verdade, os microplásticos normalmente sedimentam no fundo do mar, enquanto os nanoplásticos permanecem suspensos na água devido ao seu menor peso7. Depois, são transportados pelas correntes oceânicas, difundindo-se em curtos tempos. Devido à sua elevada relação superfície-volume, os nanoplásticos podem absorver grandes quantidades de poluentes tóxicos na água e servir como substrato para o crescimento de biofilmes bacterianos patogênicos, aumentando sua toxicidade7,8. Ao contrário dos microplásticos, podem penetrar facilmente nos tecidos, apresentando sérios riscos à saúde de todos os seres vivos9.

A detecção de nanoplásticos em amostras de água e a sua consequente remoção é crítica. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) e a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) permitem a visualização de nanoplásticos, mas não fornecem outras informações sobre o material plástico . Da mesma forma, a análise de rastreamento de nanopartículas (NTA) mede a distribuição e concentração de tamanho dos nanoplásticos registrando a luz espalhada de um feixe de luz incidente . As técnicas de espectrometria de massa também são promissoras para o estudo de nanoplásticos. Nesse sentido, Mitrano e colaboradores sintetizaram nanoplásticos com núcleo metálico para monitorar seu destino no meio ambiente por meio de espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) . No entanto, falta uma estratégia para a triagem rápida e “no local” de nanoplásticos em amostras de água, sem a necessidade de instrumentos laboratoriais dispendiosos e de pessoal especializado13. Além disso, a remediação de águas contaminadas com nanoplásticos é crucial. As abordagens convencionais para remoção de microplásticos, como a filtração, não são adequadas para nanoplásticos devido ao seu pequeno tamanho14. Por outro lado, o conceito de captura de microplásticos por forças eletrostáticas utilizando partículas magnéticas de carga oposta e a sua recolha sucessiva com ímanes pode ser potencialmente estendido aos nanoplásticos15.

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>