环境中许多人为产生的污染物难以通过自然过程降解，并会扰乱哺乳动物和其他动物的激素系统及其他系统。使用现有方法清除这些有毒物质（包括农药以及双酚A（BPA）等内分泌干扰物）往往成本高昂且耗时漫长。
研究人员来自麻省理工学院和巴西戈亚斯联邦大学，在本周发表于 Nature Communications的一篇新论文中展示了一种新方法，利用纳米颗粒和紫外线（UV）光，快速从土壤和水中分离并提取多种污染物。
两位主要作者 Ferdinand Brandl 和 Nicolas Bertrand 曾是 Robert Langer 实验室的博士后研究员。Robert Langer 是麻省理工学院科赫综合癌症研究所的 David H. Koch 研究所教授。（戈亚斯联邦大学的 Eliana Martins Lima 为另一位合著者。）Brandl 和 Bertrand 均接受过药学专业训练，并将他们的发现描述为一次幸运的意外：他们最初的目标是开发能将药物输送至癌细胞的纳米颗粒。
Brandl 此前合成过一类可在紫外线照射下断裂的聚合物。但他和 Bertrand 开始质疑这些聚合物是否适合药物递送，因为紫外线可能损伤组织和细胞，且无法穿透皮肤。当他们得知某些污水处理厂使用紫外线进行消毒时，他们开始提出另一个问题。
“我们想，既然他们已经在使用紫外线，或许也可以使用我们的颗粒，”Brandl 说。“于是我们想到，可以用我们的颗粒从水中去除有毒化学物质、污染物或激素，因为我们发现，颗粒一经紫外线照射就会聚集。”
一个捕获“畏水”污染物的陷阱
研究人员用聚乙二醇和聚乳酸合成了这些聚合物。聚乙二醇是一种广泛使用的化合物，见于泻药、牙膏和眼药水中，并已获美国食品药品监督管理局批准作为食品添加剂；聚乳酸是一种可生物降解的塑料，用于可堆肥的杯子和玻璃器皿。
由这些聚合物制成的纳米颗粒具有疏水内核和亲水外壳。由于分子尺度的作用力，在溶液中，疏水性污染物分子会向疏水性纳米颗粒移动并吸附在其表面，在那里被有效地“捕获”。同样的现象也出现在意大利面酱污渍使塑料容器表面变红的情形中：在那种情况下，塑料和油基酱汁都是疏水性的，二者相互作用。
若不加干预，这些纳米材料会悬浮并均匀分散在水中。但在紫外线照射下，颗粒起稳定作用的外壳会脱落，而此时已被污染物“富集”的颗粒会形成更大的聚集体，随后可通过过滤、沉降或其他方法去除。
研究人员用该方法从废水中提取了邻苯二甲酸酯（一种用于软化塑料、会干扰激素的化学物质）；从热敏打印纸样品中提取了双酚A（另一种内分泌干扰合成化合物，广泛用于塑料瓶及其他树脂类消费品）；并从受污染土壤中提取了多环芳烃（一类由燃料不完全燃烧形成的致癌化合物）。
该过程不可逆，且所用聚合物可生物降解，从而将有毒次生产物长期残留于水体等环境中的风险降至最低。“一旦它们转变为这种宏观状态，即变成大团块，”Bertrand 说，“你就再也无法让它们恢复到纳米状态了。”
据研究人员称，根本性突破在于证实了小分子确实会被动吸附到纳米颗粒表面。
“据我们所知，这是首次能够直接测量小分子与预先形成的纳米颗粒之间的相互作用，”他们在 Nature Communications上撰文写道。
纳米净化
他们表示，更令人兴奋的是其广泛的潜在用途，涵盖从环境修复到医学分析等诸多领域。
这些聚合物在室温下合成，无需为针对特定化合物而专门制备；它们普遍适用于各类疏水性化学品和分子。
“我们用于去除污染物的相互作用不具特异性，”Brandl 说。“我们可以在一个步骤中去除同一样品中存在的激素、双酚A和农药。”
此外，纳米颗粒的表面积与体积之比很高，这意味着只需少量便可去除相对大量的污染物。因此，该技术有望以较高成本效益，在更大范围内清理受污染的水和土壤。
“从应用角度看，我们在一个体系中证明，小分子在纳米颗粒表面的吸附可用于任何类型的提取，”Bertrand 说。“这为日后的许多其他应用打开了大门。”
他推测，这种方法或可进一步发展，用以取代目前广泛使用的有机溶剂，其用途涵盖从脱咖啡因到制造油漆稀释剂等各个方面。Bertrand 以滴滴涕（DDT）为例，指出该物质自1972年起在美国被禁止用作杀虫剂，但在世界其他地区仍被广泛使用，是另一种可能借助这些纳米材料加以修复的持久性污染物。“而对于那些不需要大量体积来纯化或浓缩的分析应用，这可能很有意思，”Bertrand 说，并举例介绍了一种用于医疗患者尿液分析的廉价检测试剂盒。
该研究还表明，为环境修复而开发的纳米尺度药物递送技术具有更广阔的应用潜力。
“我们能够将为制药行业开发的一些高度复杂、高精度的工具应用于更广泛的领域，并重新审视这些技术的用途，这令人惊叹，”加拿大滑铁卢大学化学工程助理教授 Frank Gu 说。他是医疗保健和医学应用纳米工程领域的专家。
“谈到现场应用，那还很遥远，但这篇论文提供了一个真正令人兴奋的机会，可以攻克一个长期存在的问题，”未参与该研究的 Gu 说。“如果采用常规的土木工程或化学工程方法来处理，它根本无济于事。这正是最令人兴奋的部分。”
本文与 MIT合作发布。发布并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Jonathan Mingle 是 MIT News 的记者。
图片：高级技术人员 Dariusz Czolak 手持一片覆有石墨烯层的碳化硅圆盘，该石墨烯通过外延工艺获得，摄于2012年10月23日华沙电子材料技术研究所（ITME）实验室。REUTERS/Kacper Pempel。
