水污染急需机器人，材料局限遇难题，MXene 水凝胶有潜力

大家好！今天我们来了解一项关于水污染管理的前沿研究——《A MXene Hydrogel‐Based Versatile Microrobot for Controllable Water Pollution Management》发表于《Advanced Science》。水污染，尤其是有机染料污染，严重威胁着我们的健康和环境。传统处理方法面临诸多局限，而MXene材料带来了新的希望。本研究合成了一种等离子体MXene水凝胶，它不仅能高效吸附染料，还具备超灵敏识别能力。在此基础上构建的多功能微型机器人，更是在水污染管理中展现出巨大潜力。

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一、研究背景

水污染是一个严重的全球性问题，特别是有机染料污染物对环境和人类健康构成了重大威胁。传统的吸附材料在处理染料污染方面存在诸多局限性，如吸附速率慢、功能单一以及物理化学性质不可调等。近年来，MXene因其大的活性表面积和灵活的微观结构在多个领域受到关注，本研究旨在利用MXene开发一种多功能的微型机器人用于水污染管理。

二、等离子体MXene水凝胶（PM-Gel）的制备与表征

（一）制备方法

研究人员以环保的Na-Alg作为主要水凝胶基质，将含有柔性Ti3C2Tx MXene和AuAgAu纳米立方体的粘性溶液通过注射器泵逐滴注入氯化钙溶液中，在5分钟内Ca2+完成水凝胶的交联，形成PM-Gel。

（二）结构表征

1、MXene纳米片

通过电子显微镜观察，MXene呈现出褶皱的形态，其XRD图谱中39°的峰几乎消失，表明铝层被选择性去除，峰在2θ=9.6°发生了7.1°的位移，证明Ti3C2Tx纳米片有效剥离。

2、AuAgAu纳米立方体

SEM和TEM图像确认了样品的单分散性，在纳米粒子生长过程中，立方形状的纳米粒子在400nm以下呈现出与偶极共振模式相关的表面等离子体共振（SPR）峰。

3、水凝胶基质

SEM图像显示水凝胶基质具有微观粗糙度，有100-200 μm的孔隙，这有利于液体的快速交换。

（三）性能调控

1、制备参数对形态的影响

例如，将注射速率从0.5提高到4mL min-1，水凝胶珠的尺寸会持续增加；随着前驱体出口与CaCl2池的高度差增加，水凝胶会因更高的最终速度而产生拖尾效应。

2、成分浓度对性能的影响

增加MXene含量有利于提高吸附能力，增加纳米粒子含量则可增强SERS检测。经过优化，后续实验中MXene和纳米粒子的浓度分别为0.0025%和0.05%。

三、PM-Gel对染料的吸附和识别性能

（一）高效染料去除

1、实验方法

研究选取R6G和MB作为典型的阳离子染料，酸红（AR）和酸蓝（AB）作为阴离子染料的例子。首先绘制不同染料的吸光度校准曲线，然后将PM-Gel珠引入染料溶液中，通过监测上清液的吸光度来确定染料吸附率。

2、实验结果

与活性炭（AC）和纯藻酸盐水凝胶（Alg）相比，MXene水凝胶表现出更高的去除率。在仅2分钟内，水凝胶就能去除约56.9%的R6G和64.3%的MB，是商业AC去除率的两倍，并且在2小时内染料最大去除率可达95%，同时水凝胶不会向溶液中释放碎屑。

（二）超灵敏识别

1、实验方法

将水凝胶珠浸入不同浓度的R6G溶液中进行检测，评估其SERS活性。

2、实验结果

对R6G的检测限低至3.76aM（如图4a所示），对MB的检测限低至1.98fm，对AR和AB的检测限分别为16.33fm和381.07pm。

此外，水凝胶还可从混合溶液的单一光谱中同时识别四种染料（如图5a、b所示）。水凝胶在pH5-10和10-30C范围内性能稳定，20天储存后吸附能力下降小于10%，5次循环后信号误差约20%。

四、基于PM-Gel的微型机器人的构建与性能测试

（一）机器人制备

将γ-Fe2O3纳米粒子和温敏聚合物掺入水凝胶，制备出直径1.75mm的球形微型机器人。

（二）可控采样与检测

1、实验设计

在迷宫状微流控通道中测试机器人对染料污染物的采样和检测能力。假设通道壁代表可访问点和不可访问目标采样点之间的障碍，分别标记为“Start”和“Target”。

2、实验过程

将超级磁性微型机器人放置在“Start”位置，通过外部磁铁控制其在曲折通道中导航至“Target”点，在“Target”点旋转进行染料采样和吸附，然后机器人返回，通过SERS检测对其携带的物质进行检测。实验证明，机器人能在几秒内有效采样并消除0.1μL的R6G污染物。

（三）光增强吸附

1、实验原理

利用Ti3C2Tx MXene的光热效应，使掺杂N-异丙基丙烯酰胺的微型机器人在激光照射下收缩，从而增强染料吸附能力。

2、实验结果

与对照组相比，经过激光预照射收缩的微型机器人对R6G的染料残留减少26%，对MB的染料残留减少58%。

五、研究结论

本研究成功构建了多功能PM-Gel微型机器人，复合水凝胶在染料去除和识别方面效果显著，去除率超过90%，2分钟内吸附率是活性炭的两倍，对阳离子和阴离子染料的检测限极低。微型机器人可远程管理染料污染，有效定位、采样和识别难以接近的污染物。与已有研究相比，PM-Gel在灵敏度、饱和吸附率、通用性和可扩展性方面表现更优，且具有良好的生物相容性。未来可进一步改进MXene的制备工艺，提高光驱动操作的准确性，拓展其在血管疏通、药物输送和化学反应监测等领域的应用。

六、一起来做做题吧

1、水污染中有机染料污染物危害大的主要原因是（）

A.难以从水中分离

B.会导致水体变色

C.可能引发恶性疾病及造成即时和长期损害

D.吸附在水生植物上影响其生长

2、PM-Gel的制备过程中，起到交联作用的是（）

A. Ti3C2Tx MXene

B.AuAgAu纳米立方体

C.Ca2+

D.Na-Alg

3、PM-Gel对R6G染料的检测限是（）

A.3.76aM

B.1.98fm

C.16.33fm

D.381.07pm

4、在微型机器人于迷宫状通道的实验中，用于控制机器人导航的是（）

A.内部磁铁

B.外部磁铁

C.激光照射

D.水流

参考文献：

Yang K, et al. A MXene Hydrogel-Based Versatile Microrobot for Controllable Water Pollution Management. Adv Sci (Weinh). 2024 Jul;11(26):e2309257.