MXene을 통한 나노플라스틱 포착 및 감지

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3573(2022) 이 기사 인용

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환경에서 플라스틱 폐기물 조각화의 최종 산물인 나노플라스틱 오염은 작은 크기와 관련된 더 쉬운 확산과 더 높은 위험으로 인해 과학계의 관심이 높아지고 있습니다. 따라서 폐수에서 나노플라스틱을 정량화하고 제거하기 위한 효과적인 전략에 대한 요구가 절실합니다. 이 연구는 다기능 MXene 유래 산화물 마이크로로봇을 통해 3차원(3D) 공간에서 나노플라스틱을 "즉시" 포착하고 추가 탐지하는 방법을 제시합니다. 열 어닐링 공정을 사용하여 Ti3C2Tx MXene을 광촉매 다층 TiO2로 변환한 후 Pt 층을 증착하고 자성 γ-Fe2O3 나노입자로 장식합니다. MXene에서 유래한 γ-Fe2O3/Pt/TiO2 마이크로로봇은 음의 광중력을 보여 빛 조사 하에서 6자유도의 강력한 연료 없는 동작을 구현합니다. 자체 추진력과 프로그래밍 가능한 제타 전위의 독특한 조합 덕분에 마이크로 로봇은 다층 스택 사이의 슬릿을 포함하여 표면에 나노플라스틱을 빠르게 끌어당겨 가두어 자기 수집을 가능하게 할 수 있습니다. 자가 운동성 사전 농축 플랫폼으로 활용되는 이 제품은 저가형 및 휴대용 전극을 사용하여 나노플라스틱의 전기화학적 검출을 가능하게 합니다. 이 개념 증명 연구는 수중 나노플라스틱의 "현장" 스크리닝과 그에 따른 후속 개선을 향한 길을 열어줍니다.

비닐봉지, 병, 기타 플라스틱 폐기물로 가득 찬 해양 환경의 이미지는 우리 마음에 깊은 인상을 주며 이를 관리할 준비가 되어 있지 않은 인류의 모습을 반영합니다1,2. 불행하게도 플라스틱의 실제 위험은 눈에 보이는 것에만 국한되지 않습니다. 플라스틱 재료는 미세 플라스틱이라고 불리는 5mm 미만의 작은 조각으로 조각납니다3. 이는 나노플라스틱이라고 불리는 훨씬 더 작고 더 위험한 조각(1~1000nm)으로 더욱 분해될 수 있습니다4,5,6. 실제로, 미세플라스틱은 일반적으로 해저에 침전되는 반면, 나노플라스틱은 무게가 가볍기 때문에 물 속에 부유 상태로 남아 있습니다7. 그런 다음 해류에 의해 운반되어 짧은 시간 내에 확산됩니다. 표면 대 부피 비율이 높기 때문에 나노플라스틱은 물에서 다량의 독성 오염물질을 흡수하고 병원성 박테리아 생물막의 성장을 위한 기질 역할을 하여 독성을 증가시킬 수 있습니다7,8. 미세플라스틱과 달리 조직에 쉽게 침투하여 모든 생명체의 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다9.

물 샘플에서 나노플라스틱을 검출하고 그에 따른 제거가 중요합니다. 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)은 나노플라스틱을 시각화할 수 있지만 플라스틱 재료에 대한 다른 정보를 제공하지는 않습니다10. 마찬가지로, 나노입자 추적 분석(NTA)은 입사광 빔11에서 산란된 빛을 기록하여 나노플라스틱의 크기 분포와 농도를 측정합니다. 질량 분석 기술은 나노플라스틱 연구에도 유망합니다. 이와 관련하여 Mitrano와 동료들은 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)12을 통해 환경에서의 운명을 모니터링하기 위해 금속 코어가 있는 나노플라스틱을 합성했습니다. 그러나 값비싼 실험실 장비와 전문 인력 없이 물 시료 내 나노플라스틱을 신속하게 "현장" 검사하기 위한 전략이 없습니다13. 게다가, 나노플라스틱으로 오염된 물을 정화하는 것도 중요합니다. 여과와 같은 미세 플라스틱 제거를 위한 기존 접근 방식은 크기가 작기 때문에 나노 플라스틱에 적합하지 않습니다14. 한편, 반대로 대전된 자성 입자를 사용하여 정전기력에 의해 미세 플라스틱을 포획하고 자석을 통해 연속적으로 수집하는 개념은 잠재적으로 나노 플라스틱으로 확장될 수 있습니다.