山東大學最新研究成果曝光新材料可同時檢測降解抗生素

2022-06-29 10:54:00來源：科技日報

由于抗生素生物可降解性低，并且人們?nèi)粘Ｉ钪袑λ幬锝?jīng)常處理不當，大約80%以上的抗生素會在環(huán)境中累積。例如，作為一種廣譜抗生素，“氯化小檗堿”因為具有優(yōu)良的抗菌性和較低的副作用而被廣泛應用，但當前很多技術(shù)難以同時檢測并降解此類抗生素。

近日，山東大學化學與化工學院劉鴻志教授課題組制備了一種有機—無機雜化的倍半硅氧烷基近紅外多孔聚合物，該新材料可同時實現(xiàn)對氯化小檗堿的檢測、降解兩大功能，這使其在環(huán)保領(lǐng)域展示出潛在應用價值。

上述成果發(fā)表于美國化學學會旗下的《可持續(xù)化學與工程》雜志并入選封面文章。

新材料可同時檢測降解抗生素

抗生素是人類醫(yī)學史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，提高了人類對抗細菌感染的能力。但濫用抗生素已嚴重威脅人類健康并對環(huán)境造成了污染。探索如何有效檢測和去除環(huán)境中的抗生素已成為當前環(huán)保領(lǐng)域研究的熱點，同時也是難點之一。

為清除污水中的抗生素以及其他有機污染物，科學家們運用了各種方法，包括絮凝、膜過濾、吸附、化學氧化以及生物降解等。但這些方法具有技術(shù)難度大、處理成本高、步驟繁瑣和易出現(xiàn)“二次污染”等弊端。

為克服上述弊端，科學家們一直在探索更為先進的處理技術(shù)，如：光催化技術(shù)、濕式氧化技術(shù)、超聲波技術(shù)、超臨界氧化技術(shù)等。在這些技術(shù)中，光催化技術(shù)被認為是最具吸引力的技術(shù)之一，因為其利用光能來催化降解污染物，不引入新的污染物，無二次污染，而且材料可以多次重復利用。如今劉鴻志教授課題組的研究成果進一步豐富了光催化材料。

“該紅外半導體發(fā)光材料的激發(fā)帶與抗生素的紫外吸收帶相重合，由于內(nèi)濾效應，可以實現(xiàn)對抗生素進行檢測;同時，這種紅外半導體發(fā)光材料能夠在水中產(chǎn)生過氧自由基(O2-)和空穴(h+)，它們可以與抗生素產(chǎn)生作用，進而發(fā)生開環(huán)等一系列反應，最終將抗生素降解生成二氧化碳和水。”劉鴻志說。

集多種材料優(yōu)勢于一身

當前，近紅外發(fā)光材料在組成上大致分為兩種：無機材料，如金屬氧化物和半導體納米晶體，但“價格貴，難以加工和后修飾”是其致命弱點。有機材料，包括金屬配合物和染料等，根據(jù)發(fā)光機制可以分為有機近紅外熒光材料和有機近紅外磷光材料。其中，有機近紅外熒光材料具有較高的摩爾消光/吸光系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率，并且分子結(jié)構(gòu)靈活易調(diào)、價格低廉。但這一材料仍存在一些亟待解決的共性科學問題，例如，其只有較低的熱穩(wěn)定性、力學穩(wěn)定性、熒光量子效率，并且耐光漂白性差。

為了解決無機近紅外材料的可加工性和有機近紅外材料的穩(wěn)定性問題，科學家們開始制備有機—無機雜化近紅外材料。即通過添加無機粒子進行摻雜來克服有機近紅外材料的缺點。比如，摻雜二氧化硅的有機近紅外材料可表現(xiàn)出更高的亮度和光穩(wěn)定性。然而，嵌入的有機近紅外分子容易從二氧化硅基體中泄漏，穩(wěn)定性差，阻礙了其應用。

“通過分子設計，我們制備了一種噻吩橋聯(lián)咔唑吡喃型有機近紅外分子，它是具有超共軛‘D-π-A-π-D’結(jié)構(gòu)的有機半導體。”劉鴻志告訴記者，“然而，這種有機近紅外分子的機械強度和熱穩(wěn)定性差、亮度低、光穩(wěn)定性差，嚴重制約了其應用。為此，我們利用倍半硅氧烷對其進行化學改性來制備有機—無機雜化的倍半硅氧烷基近紅外多孔聚合物，實現(xiàn)了分子水平復合，解決了有機近紅外分子存在的上述問題，同時解決了物理共混中有機染料容易從二氧化硅基體中泄漏的問題。”

為環(huán)境治理提供新思路

劉鴻志認為，有機—無機雜化的倍半硅氧烷基近紅外多孔聚合物具有可預見的優(yōu)異綜合性能和廣泛的應用前景，“它可以無損快速檢測重金屬離子、硝基化合物、染料以及抗生素等微量污染物;此外，這類材料還可以實現(xiàn)對污染物的光降解，可直接利用太陽光進行激發(fā)，無需外加光源，高效、簡潔，發(fā)出的近紅外光對生命體無害，環(huán)境友好，可以循環(huán)使用，為環(huán)境治理提供了新的思路，有望獲得實際應用。”劉鴻志說。

不過，技術(shù)是不斷完善發(fā)展的，任何看似“完美”的材料也有瑕疵。

在眾多處理水中污染物的方法中，光催化技術(shù)極具優(yōu)勢，但當前相關(guān)的光催化技術(shù)或材料仍存在一些問題，比如材料合成難度大、成本高、光能利用率低，難以同時降解不同類型污染物。因此，劉鴻志說：“開發(fā)高效、綠色、可回收的近紅外光材料用于檢測和降解污染物具有重要的科學價值，而獲得緊湊、高效和低成本的近紅外材料是實現(xiàn)其廣泛應用的關(guān)鍵因素。”他呼吁科學家和產(chǎn)業(yè)界加強合作，在揭示材料結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系基礎(chǔ)上，設計開發(fā)新型近紅外發(fā)光材料，加強材料制備工藝研究，拓寬應用場景，加快推動商業(yè)化應用。

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光催化材料治污潛力大

光催化材料是指在光的作用下可發(fā)生光化學反應的一類半導體催化劑材料。世界上能作為光催化材料的有很多，包括二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯、硫化鎘等多種氧化物、硫化物半導體。早期，世界各國曾經(jīng)較多使用硫化鎘和氧化鋅作為光催化材料，但是由于這兩者的化學性質(zhì)不穩(wěn)定，會在光催化的同時發(fā)生光溶解，溶出有害的金屬離子，具有一定的生物毒性，故發(fā)達國家已經(jīng)很少將它們作為民用光催化材料，部分工業(yè)光催化領(lǐng)域還在使用。此后，二氧化鈦因其氧化能力強、催化活性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢一直處于光催化研究的核心地位。

如今許多專家認為納米氧化亞銅在光催化降解有機污染物方面有很好的應用前景，有望成為繼二氧化鈦之后的新一代的半導體光催化劑。納米氧化亞銅化學性質(zhì)較穩(wěn)定，在日光作用下具有很強的氧化能力，可使水中有機污染物完全氧化生成二氧化碳和水。因此，納米氧化亞銅比較適合于各種染料廢水的深度處理。研究人員已經(jīng)用納米氧化亞銅光催化降解亞甲基藍等，取得了較好的效果。(王延斌)

關(guān)鍵詞：山東大學研究成果新材料檢測降解抗生素光催化材料治污環(huán)境治理