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杀菌如麻,德国普朗克研究所打造净水神器

北极蚊子 2017-7-5 16:05

水资源短缺一直是一个限制经济和社会发展的致命难题。但大家也许有所不知的是,造成短缺的原因并非是水资源本身的匮乏,而是严重的水污染导致可利用的水资源变得弥足珍贵

众所周知,机器人变革着人类社会,而微型机器人或许能为我们在污水中清除污染物和致病菌就在几天前,这类机器人已经不再是天马行空了!刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上的一项最新发明用简单的化学方法将其变为了现实。

该发明团队源于德国马克思普克朗研究所的智能系统研究部门(Max-Planck Institute for Intelligent Systems)马克思普克朗研究所以德国物理学家马克思·普克朗命名,出过 33 位诺奖得主,以及各领域精英,也为我国培养了一批科研大牛。形象的说,马普所是欧洲学术诸神的老巢。

而微型机器人的研究由两位科学家 Diana Vilela 和 Samuel Sánchez Ordóñez 所领导。他们对受污染的水资源有着创新性的见解。

应对受污染的水源,传统的做法往往是使用氯或者其它消毒剂来进行消毒,但这样一来,固然细菌是可以被杀死,但它们的遗体仍旧会留存在水中,而且高浓度消毒剂所产生的副作用也会对人体造成一定的危害。

于是,研究人员想到了近年来在环境科学领域表现不凡的微型马达 (micromotor)它们利用简单的分子系统或化学机制,能够环境中实现自我推动。稍加改造,就可以制造出在水中吸附有机物、重金属等污染物质简单灵巧的微型机器人。

图丨纳米银微型机器人想象图

研究团队于是设计了这款具有纳米银涂层的球状微型机器人(Janus microbots decorated with silver nanoparticles

简而言之,这是一个直径为 15 微米的球状颗粒它的一侧表面为镁,用于与水反应产生氢气小气泡来推动整个机器人的行进。而另外一面则依次附上了铁涂层、金涂层,和最表面的纳米银粒子,细菌一旦附着于球体表面,就会具有杀菌功效的纳米银杀死。

视频丨ACS Applied Materials & Interfaces对纳米银微型机器人的简介

实验室的测试表明,机器人能在水中工作 15 至 20 分钟,能够清除 80% 以上的大肠杆菌。大肠杆菌是科学家研究最透彻的一种细菌,也是人体器官中多种感染的致病菌之一,在食物和水体中常见。所以,我们需要找到清除该类细菌的高效方法。

同时,在使用结束之后,操作人员可以很方便的用磁铁将这些机器人从水中取出,也能顺便把死去的细菌脱出水体。

图丨大肠杆菌电镜照片

那么这种微型机器人到底是如何工作的呢?它如何实现自我推动?如何实现杀菌?

正如上文所述,机器人的“推动燃料”是其尾部的金属镁。在水中,镁会与水分子反应生成镁离子、氢氧根和氢气,其化学式如下(初中内容,大家可以感受一下有多简单)。接着,这些氢气会以小气泡的形式从球体机器人尾部冒出来,从而推动机器人无规则游动。

而其杀菌功效主要来自纳米银微粒。在接触到细菌细胞膜时,纳米银能够释放对其有害的银离子,而细胞膜偏酸性的 pH 值则能加速银离子的释放,并使其附着于细菌表面。接着,银离子就会与细菌蛋白质中的硫醇基结合,并迅速破坏细胞膜的渗透性。最终,使细菌会溶解并死亡。

抛开细节不说,大家可以从浅显易懂的角度考虑——我们生活中经常使用银作为饰品、容器,就是源于该金属的杀菌功效。而该研究吧银制成纳米级的颗粒物,则大大增加了其反应面积和速度,提高了对细菌的杀伤力。

图丨细菌被银离子杀死

况且,细菌喜欢附着于金属表面。其细胞膜上的负电荷与金属表面存在相互作用(包括静电作用和范德华力)这样的性质使得球体头部的金涂层对细菌有了吸附的作用,最终分散在金涂层表面的纳米银得以一展身手。

而且,微型机器人的制备也并不复杂,说白了就是在镁金属球上裹上一层一层的涂料。

图丨纳米银微型机器人的制备过程

具体而言,就是 1) 先制备出若干直径为15微米左右的镁金属球,2) 然后将其放置玻璃片上,用金属蒸镀机分别镀上一层14纳米厚的铁和35纳米厚的金。3) 为了在化学层面上调整金涂层表面, 这些金属球接着会被放入半胱胺盐酸盐的乙醇溶液中。4) 最后,纳米银颗粒与通过涂层表面的铵根附着,固定在球体前部,微型机器人就大功告成了。

制成后,科学家还对球状机器人进行了一系列的测量。在电镜照片中(下图左),球体上镀有纳米银和其他物质的一端和只有金属镁裸露的一端都清晰可见;而X光能谱(下图右)则反映了球体上每种元素的分布状况,如图所示——镁元素含量最高,金元素第二,其实纳米银只有一点点。

图丨纳米银微型机器人的电镜照片(左)和X光能谱(右)

下图是根据 X 光能谱绘制的元素分布图,描述了每种元素在球体上的分布,其顺序为:镁、金、铁、银。从图中我们能看到,镁在整个球体上均匀分布,而其他的元素则只占用于杀菌的一端,不愧是名副其实的“两面派”。

图丨根据X光能谱绘制的元素分布图,其顺序为:镁、金、铁、银

在机器人的工作完成之后,科学家通过荧光活性造影技术探查了水体的杀菌情况,上排绿色部分为存活细菌,而下排红色部分为死亡细菌

测试包含了纯净水、纯纳米银微粒、和纳米银微型机器人三个对照组;很明显,纯净水中绝大部分细菌存活,纯纳米银溶液出现了一定量的死亡细菌,而纳米银微型机器人成功地杀死了绝大部分细菌。说明这种机制确实能将金属银的杀菌功效提高百倍。

图丨荧光活性造影技术对活细菌和死细菌的成像,绿色为存活细菌,红色为死细菌;从左到右依次为:水、纯纳米银颗粒、纳米银微型机器人

另一组荧光活性造影图像则体现了各层金属的功效。科学家分别把几种对照金属颗粒和微型机器人和放入污水中,并测试其周围的细菌进行荧光成像。

大量活细菌就粘附于镁、铁和金等金属之上,体现了这些材料对细菌的吸引机制。在只有纳米银的情况下,图中开始出现死去的细菌;事实证明,把具有粘附作用的铁、金涂层和纳米银结合起来的机器人完全体简直就是神器,周遭一片红,死伤无数啊……

图丨对几颗粒物的荧光活性造影:普通金属对细菌具有吸附作用,纳米银具有杀伤作用

而为了净化污水,小机器人需要在各种环境中工作。于是,研究者将其置于pH值不同的水中测试其游动情况。

由于机器人靠镁和氢氧根反应推动,在镁元素耗尽之时其寿命也就结束了。实验证明机器人在酸性的环境下游动最快,pH=5.0时速度为27μm每秒,而随着pH的增长速度下降,在pH=6.5时只能达到6μm每秒。

相对应地,镁元素消耗得约快,因此小机器人寿命越短。pH=5.0时其寿命只有12分钟,而pH=6.5时长达20分钟。

图丨水体pH值与机器人游速的关系(左)和pH值与持续时间的关系(右)

同时,科学家描绘了小机器人在pH值不同的溶液中的运动轨迹,测量间隔为10秒钟。酸性酸性溶液中的小机器人明显运行距离较远。

图丨不同pH值下机器人在10秒钟内游过的路径

另一组有关水体本身的对照试验显示,细菌在磷酸盐溶液中更容易存活,而在纯水中则难以获得养分,这说明微型机器人在供人饮用的纯水中效果更佳。

但是,微型机器人的反应过程中会不可避免的产生其他金属离子。考虑到其主要推动力是镁和氢氧根的反应,生成物中会有大量的镁离子,且因为其间也有铁的涂层,水中也残留了一定量的铁离子。

不过不用担心,这些残留物都严格控制在世界卫生组织(WHO)对饮用水的标准之下,也就是镁离子10-50mg/mL和铁离子的0.3mg/mL。然而目前还没有对金离子的明确标准(金本身也很难被氧化,所以水中少有金离子)。

图丨WHO对水中金属元素的标准

至于主要杀菌剂银离子,WHO对正常饮用水中银离子的标准是少于0.005μg/mL,但对于存在需要杀菌处理的污染饮用水标准为0.1μg/mL,而这款小机器人成功地达到了这一要求。

无论如何,这样一款原理易懂、制造简单的机器人,居然能在污水处理上大显身手,再次见证了工程师大神们的脑洞。

其实,发明创造离我们并不远,就像这个利用了金属与水反应原理工作的机器人告诉我们,初高中知识也可以成为创新的基石。希望科学家能够再接再厉,继续用脑洞改变世界。

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