新型纳米吸附剂 SPION@CPFO-PAC：高效去除水中吉非替尼的环保新希望

为解决水中 Gefitinib 污染难题，伊朗伊斯兰阿扎德大学研究人员开展用 SPION@CPFO-PAC 纳米复合材料除 Gefitinib 的研究。结果显示其吸附率达 92.02% 。该研究为处理水污染提供新方案，值得科研人员一读。

　　

在当今世界，废水污染问题就像一场挥之不去的阴霾，笼罩着我们的生活。随着人口不断增加，工业活动愈发频繁，再加上废弃物的不合理排放，水资源被污染的情况越来越严重。那些隐藏在水中的污染物，像 pharmaceuticals（药物）、personal care products（个人护理产品）、pesticides（农药）以及 heavy metals（重金属）等，正一步步侵蚀着我们宝贵的水资源 ，尤其是药物污染物，它们的化学结构复杂，传统的化学混凝、过滤和氯化等水处理方法对它们几乎束手无策。这些药物污染物在水中肆意存在，不仅会对水生生物的生存造成威胁，还可能通过各种途径影响人类健康，引发各种疾病。

而抗癌药物出现在废水中，更是让人忧心忡忡。这些原本用于对抗癌症的 “神奇武器”，一旦进入水环境，就变成了危害生态平衡的 “恶魔”。它们会伤害那些无辜的非目标生物，长期接触还可能导致人类出现生殖障碍、发育异常甚至致癌。就拿 Gefitinib（吉非替尼）来说，它是一种广泛应用于癌症治疗的药物，但它在人体体液和临床废水中的出现，让人们不得不担心它对环境和健康的潜在影响。所以，找到一种高效的方法去除水中的 Gefitinib，保护我们的水资源和身体健康，成为了科研人员亟待解决的难题。

在这样的背景下，伊朗伊斯兰阿扎德大学德黑兰分校化学系的研究人员 Leila Hajiaghababaei、Ali Mazloomifar、Faezeh Khalilian 和 Ghazal Taghizadeh Farahani，在《Scientific Reports》期刊上发表了一篇名为 “Functionalization of magnetic nanoparticles with 1-cyclopropyl-6-fluoro-4-oxo-7-(piperazin-1-yl)-1,4-dihydroquinoline-3-carboxylic acid as an efficient adsorbent for the Gefitinib removal from water” 的论文。他们的研究成果就像黑暗中的一盏明灯，为解决 Gefitinib 水污染问题带来了新的希望。研究发现，他们合成的 SPION@CPFO-PAC（1 - 环丙基 - 6 - 氟 - 4 - 氧代 - 7-(哌嗪 - 1 - 基)-1,4 - 二氢喹啉 - 3 - 羧酸修饰的@SPION 纳米粒子 ）纳米复合材料，对水中的 Gefitinib 有着出色的吸附能力，最高去除率可达 92.02%，这一成果为水环境中 Gefitinib 的去除提供了新的有效途径，对环境保护和人类健康有着重要意义。

为了完成这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。他们借助 Transmission electron microscopy（TEM，透射电子显微镜）和 Scanning electron microscopy（SEM，扫描电子显微镜）来观察合成纳米粒子的形态和大小；利用 Energy dispersive X-Ray analysis（EDX，能量色散 X 射线分析）确定其成分；通过 Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR，傅里叶变换红外光谱）来分析纳米粒子表面的化学官能团；使用 Vibrating sample magnetometer（VSM，振动样品磁强计）测量纳米粒子的磁性；运用 Dynamic light scattering（DLS，动态光散射）分析粒子的尺寸分布和 zeta 电位 ；借助 Thermogravimetric analysis（TGA，热重分析）研究纳米粒子的热稳定性。在研究 Gefitinib 的吸附过程时，他们通过改变初始浓度、接触时间、吸附剂用量和 pH 值等条件，进行实验并分析数据，还利用 Langmuir 和 Freundlich 等温线模型以及伪一级、伪二级动力学模型来研究吸附机制。

下面我们来看看具体的研究结果。

1. 纳米复合材料的表征

• 微观世界的探索：TEM、SEM 和 EDX：研究人员用 TEM 和 SEM 这两个 “微观放大镜”，仔细观察了 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子的模样。TEM 图像显示，这些纳米粒子大多是圆滚滚的球形，平均粒径在 20 - 25nm 之间，就像一群小小的 “纳米球”。SEM 图像也证实了它们的球形形态，而且尺寸分布得很均匀。高分辨率的 TEM 图像更是清晰地展示出这些纳米粒子分散得很好，大小差异不大。这表明研究人员的合成方法非常成功，制造出的纳米粒子结构稳定、性质均一。再通过 EDX 分析，研究人员发现了 Fe、O、Si、N、F 和碳等元素的特征峰，这就像是找到了纳米复合材料合成过程的 “证据”，证明了每一步添加的材料都成功地融入到了最终的产物中。
• 化学官能团的 “密码”：FTIR 光谱：FTIR 光谱就像是一把 “化学钥匙”，帮助研究人员解读纳米粒子表面的化学官能团信息。通过它，研究人员确认了 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子成功合成，并且清楚地知道了粒子表面存在哪些官能团。比如，在特定的波数范围内，出现的峰代表着不同的官能团，像 3100 - 3700 处的峰表示存在 O - H 和 N - H 的伸缩振动，这就像是纳米粒子表面的一个个 “化学标识”，为后续研究它们的性质和功能提供了重要线索。
• 稳定性的 “守护者”：Zeta 电位和 DLS 曲线：DLS 分析告诉研究人员，SPION@CPFO-PAC 纳米粒子的尺寸在 20 - 27nm 之间，这和 TEM、SEM 的结果非常吻合，就像几个 “小伙伴” 互相印证了彼此的发现。而 Zeta 电位的测量结果显示，纳米粒子的 zeta 电位为 - 30.5mV，这个较高的负电位意味着粒子在溶液中非常稳定。这是因为纳米粒子表面带有负电荷的羧基，就像给粒子穿上了一层 “静电防护服”，让粒子之间产生静电排斥力，避免它们聚集在一起。同时，研究人员还发现，溶液的 pH 值对纳米粒子和 Gefitinib 之间的吸附过程影响很大。经过一系列实验，他们确定 pH 值在 2 - 10 之间时比较适合吸附，而 pH = 4 时是最佳条件。
• 热稳定性和磁性的 “奥秘”：TGA 和 VSM 分析：TGA 曲线记录了纳米粒子在不同温度下的重量变化。在温度从室温升高到 190℃时，纳米粒子重量减少了 8%，这是因为吸附和嵌入的水被 “赶跑” 了。而在 490 - 700℃之间，重量又减少了 10%，这是因为有机链开始分解。通过 VSM 测量，研究人员发现纳米复合材料的磁化强度为 14.55 emu/g，这个数值相对较低，结合纳米粒子的小尺寸，研究人员推测它很可能具有超顺磁性。超顺磁性的纳米粒子在很多领域都有大用处，比如可以用于磁性分离、药物递送，还能作为磁共振成像的对比剂，就像一个个小小的 “智能搬运工”，可以精准地完成各种任务。

2. 影响药物吸附过程的因素

研究人员就像一群 “探索家”，对影响 Gefitinib 吸附过程的因素展开了全面的探索。他们发现，溶液浓度、溶液 pH 值、吸附剂用量和时间这四个因素，就像四个 “神秘开关”，对吸附过程有着重要影响。当 Gefitinib 溶液浓度较低时，吸附剂上有很多空闲的 “座位”（吸附位点），所以吸附效果很好；但随着浓度升高，这些 “座位” 被逐渐占满，吸附效率就降低了。溶液的 pH 值也很关键，在高 pH 值下，SPION@CPFO-PAC 纳米粒子表面的官能团会发生变化，带上更多负电荷，和同样带负电荷的 Gefitinib 分子相互排斥，导致吸附能力下降。吸附剂用量也不是越多越好，研究人员通过实验发现，当吸附剂用量增加时，药物去除量和吸附容量会先上升，直到达到一个最佳用量，之后再增加用量，效果也不会更好了。而接触时间方面，研究人员发现 30 分钟是最佳的吸附时间，时间太短，Gefitinib 来不及和吸附剂充分 “接触交流”，吸附量就少；时间太长，又可能会发生解吸现象，就像已经 “坐下来” 的 Gefitinib 又 “跑掉” 了，导致吸附比例下降。

3. 吸附等温线和动力学研究

研究人员运用 Langmuir 和 Freundlich 模型，对 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子吸附 Gefitinib 的过程进行了深入分析。结果发现，吸附过程更符合 Freundlich 等温线模型，这表明 Gefitinib 是通过物理和多层吸附的方式，吸附在纳米粒子的不同表面上，就像一群小 “客人”，在纳米粒子的表面找到了不同的 “落脚点”。在研究吸附动力学时，研究人员使用了伪一级和伪二级动力学模型。数据显示，伪二级动力学模型能更好地描述 Gefitinib 的吸附过程，这意味着吸附过程涉及到一些复杂的化学反应和相互作用，不仅仅是简单的物理吸附。

4. 热力学因素对吸附的影响

通过计算热力学参数，研究人员发现 Gefitinib 在 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子上的吸附过程是自发且放热的。在不同温度下，吉布斯自由能变化（ΔG）都是负值，这就像是一个 “信号”，表明吸附过程可以自发进行，而且不需要外界额外提供能量。焓变（ΔH）为负，说明吸附过程会释放能量；熵变（ΔS）为正，则表示系统的无序度在增加。这几个因素相互配合，让吸附过程能够顺利发生，也为研究人员理解吸附机制提供了重要的热力学依据。

5. Gefitinib 吸附机制的探讨

研究人员推测，Gefitinib 能被 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子有效吸附，主要是因为静电相互作用、氢键和 π - π 堆积这三种力量的共同作用。纳米粒子表面的羧酸基团可以失去质子，带上负电荷，而质子化的哌嗪基团则带有正电荷，这些带电基团可以和 Gefitinib 分子上的氨基、羧酸盐基团等发生静电吸引，就像正负磁极相互吸引一样。同时，Gefitinib 分子上的羰基和胺基可以与纳米粒子表面的羟基形成氢键，进一步 “拉近距离”。此外，Gefitinib 分子中的喹啉和环丙基部分含有芳香环，能与纳米粒子中的芳香环发生 π - π 堆积相互作用，就像两片相似的拼图相互契合。这三种作用就像三把 “魔法钥匙”，共同打开了 Gefitinib 吸附的大门，让纳米粒子能够高效地从水溶液中去除 Gefitinib。

6. 与其他吸附剂的比较

研究人员将 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子和其他吸附剂进行了对比。有的基于磁性纳米粒子的吸附剂，虽然最大吸附率能达到 94%，但制备方法复杂，需要经过多个繁琐的步骤。还有一些粒子，如和粒子，它们的最大吸附容量和 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子相比，简直是 “小巫见大巫”。而 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子不仅合成过程简单、环保，吸附能力强，还能利用自身的磁性轻松地从处理后的溶液中分离出来，让整个吸附过程更加高效、经济，在去除 Gefitinib 方面展现出了巨大的优势。

7. SPION@CPFO-PAC 的再生

研究人员还关注了 SPION@CPFO-PAC 纳米粒子的再生能力。他们发现，经过多次吸附 - 洗涤 - 干燥循环后，纳米复合材料在第 7 次循环时，吸附效率开始明显下降。不过，在前 4 次循环中，它的吸附效率都能保持在 80% 以上，这说明它可以被多次重复使用，就像一个勤劳的 “小卫士”，可以多次守护水资源，为去除水中的 Gefitinib 贡献力量。

8. UV - vis 和 FT - IR 光谱分析

研究人员利用 UV - vis 光谱和 FT - IR 光谱，进一步研究了 Gefitinib 的吸附过程。UV - vis 光谱显示，吸附后 Gefitinib 的吸收光谱强度明显下降，这就像一个 “证据”，证明了纳米粒子成功地吸附了 Gefitinib。FT - IR 光谱则表明，吸附后 Gefitinib 的化学结构基本没有改变，这意味着吸附过程主要是物理相互作用，而不是化学反应，纳米复合材料的结构在吸附过程中也保持稳定。

总的来说，研究人员成功合成并表征了 SPION@CPFO-PAC 这种独特的吸附剂，它对水中的 Gefitinib 展现出了优异的吸附性能。研究发现，吸附过程符合伪二级动力学模型和 Freundlich 等温线模型，是一个涉及物理和化学相互作用的复杂过程。而且，吸附过程是自发且放热的。这种纳米复合材料不仅为去除水环境中的 Gefitinib 提供了一种新的有效方法，还为处理其他新兴药物污染物提供了新思路，在环境保护和水资源治理领域有着巨大的应用潜力，有望成为未来水处理技术发展的重要方向，为守护我们的水资源和生态环境贡献重要力量。