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  選擇性采收和分離浮游單細(xì)胞是一個(gè)很多領(lǐng)域中普遍存在的難題， 包括控制細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)，診斷癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，凈化飲用水， 以及開發(fā)基于微藻的生物燃料等等。微藻被廣泛認(rèn)為是當(dāng)前最具潛力的原料，可用來(lái)制備石化燃料替代品的生物燃料。在能源危機(jī)日益緊張、環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻的今天，微藻的開發(fā)利用具有重要的研究?jī)r(jià)值以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但采收難題導(dǎo)致了基于微藻的生物燃料成本過高, 成為制約微藻產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸。

  近日, 梁紅軍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的設(shè)計(jì)理念，并從生物學(xué)中獲得靈感, 通過模仿具有促進(jìn)細(xì)菌凝聚作用的細(xì)菌外膜囊泡，合成了新型核殼結(jié)構(gòu)的磁性納米粒子緊鎖高分子刷（NPPB）, 實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)高分子絮凝劑到超凝集劑的質(zhì)變 (圖1)。每個(gè)NPPB由三個(gè)部分組成：最內(nèi)層為順磁性四氧化三鐵納米顆粒，使得NPPB可通過經(jīng)濟(jì)有效的磁泳實(shí)現(xiàn)分離；中間層為二氧化硅殼，不僅可以增強(qiáng)四氧化三鐵納米核的穩(wěn)定性，還提供了豐富的硅烷化學(xué)以便進(jìn)行表面改性；最外層為由共價(jià)接枝的高分子刷組成的帶電“毛發(fā)”層。

圖1. 具有“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子緊鎖高分子刷 （NPPB）可用于經(jīng)濟(jì)高效采收微藻的應(yīng)用。（a）NPPB橫截面示意圖。(b) NPPB的透射電鏡照片清楚地顯示其三層結(jié)構(gòu)（比例尺：50 納米）：磁性四氧化三鐵納米核（黑色），二氧化硅殼（灰色）和聚 (4-乙烯基吡啶) 高分刷外層（淺灰色）。（c）聚陽(yáng)離子NPPB引導(dǎo)的微藻脫水循環(huán)示意圖：（i）將NPPB（紫色“毛狀”球）加入微藻（綠色球體）生長(zhǎng)液中; （ii）微藻自發(fā)絮凝和沉淀; （iii）在對(duì)磁泳收集的微藻絮凝作藻油提取和殘余生物質(zhì)去除后，回收的NPPB可直接重復(fù)使用。

  標(biāo)準(zhǔn)化脫水測(cè)試清楚地展示出了NPPB相對(duì)于另外兩種常用絮凝劑（即無(wú)機(jī)納米顆粒和普通鏈狀高分子絮凝劑）的顯著優(yōu)勢(shì) (圖2)。由于存在一個(gè)對(duì)劑量敏感的絮凝- 解離平衡狀態(tài)，傳統(tǒng)的鏈狀高分子絮凝劑只能緩慢誘導(dǎo)微藻脫水。而NPPB可借助于其不可壓縮的固態(tài)納米內(nèi)核和聚合物刷自身長(zhǎng)度，來(lái)克服相鄰微藻細(xì)胞間的相似電荷排斥作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速且不可逆的微藻脫水。最后，采收到的微藻和NPPB混凝體在提取完藻油后，再經(jīng)離子液體處理成功實(shí)現(xiàn)了“綠色回收”并重復(fù)使用，進(jìn)而顯著降低絮凝劑的材料成本及對(duì)下游工藝和環(huán)境的潛在污染。

圖2. 核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子緊鎖高分子刷 （NPPB）引導(dǎo)的快速微藻絮凝。光學(xué)顯微鏡照顯示萊茵衣藻 （C.r.） 在其生長(zhǎng)液中（1 mg/ml）分散良好（a），和加入NPPB后萊茵衣藻聚集成簇（b）。掃描電子顯微鏡研究進(jìn)一步揭示了萊茵衣藻在加入NPPB之前（c）和之后（d）的形態(tài)差異。特寫視圖中清楚地看到球狀NPPB附著于C.r. 表面（d中的插圖。比例尺：5 微米）。 透射電鏡橫截面圖清楚地展示了NPPB在引導(dǎo)微藻凝集脫水過程中的作用。在加入NPPB之前藻類細(xì)胞由于同性電荷排斥而彼此保持一定距離處于浮游狀態(tài)（e）；加入NPPB之后，藻類細(xì)胞以NPPB為橋梁凝集在一起（f）。

  梁紅軍教授還與科羅拉多礦業(yè)學(xué)院 David Wu教授合作將實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合, 首次利用DLVO和自洽場(chǎng)模型 (SCFT)理論分別模擬微藻的膠體穩(wěn)定性和高分子刷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，揭示了NPPB與傳統(tǒng)的鏈狀高分子絮凝劑在調(diào)節(jié)藻類間電位方面的根本性區(qū)別 (圖3)。實(shí)驗(yàn)和模型分析均揭示了一個(gè)引發(fā)微藻凝聚的最小高分子刷鏈長(zhǎng)和最優(yōu)鏈長(zhǎng)的存在，超出此范圍增加鏈長(zhǎng)帶來(lái)的好處會(huì)迅速減弱。此外，除了電荷相互作用， NPPBs上的高分子刷還可以設(shè)計(jì)為其他類型的吸引力，如氫鍵，離子橋和化學(xué)配位等。其團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的NPPB概念不僅有助于釋放基于藻類對(duì)生物燃料的巨大潛力，并將有益于其他領(lǐng)域內(nèi)涉及到浮游單細(xì)胞捕獲和分離，以及合理控制利用膠體穩(wěn)定性的應(yīng)用（例如，3D打印油墨，光子晶體等）。

圖3.基于DLVO理論和SCFT的計(jì)算模擬揭示了聚陽(yáng)離子NPPB引導(dǎo)的微藻采收脫水的機(jī)理。（a）NPPB上的聚陽(yáng)離子高分子刷在水中的分布圖及刷長(zhǎng)。（b）聚陽(yáng)離子NPPB與微藻相互作用能隨高分子刷鏈長(zhǎng)（N）和NPPB與藻類細(xì)胞之間的表面間距（D）的變化。(c) 計(jì)算模擬的由聚陽(yáng)離子NPPB引導(dǎo)的微藻采收脫水效率。 (d)聚陽(yáng)離子NPPB可以被看作是（Debye Ball）。 對(duì)于一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的“德拜球”，每個(gè)微藻需要吸附至少k_c個(gè)“德拜球”才能克服相鄰微藻細(xì)胞間或NPPB間的相似電荷排斥作用；同時(shí)，由于物理尺寸限制，每個(gè)微藻最多只能提供k* 個(gè)“德拜球”的吸附位置。計(jì)算模擬顯示存在一個(gè)最小高分子刷鏈長(zhǎng)（在當(dāng)前計(jì)算參數(shù)下N～20），只有在此鏈長(zhǎng)以上才能滿足k_c≤k*，這也是成功實(shí)現(xiàn)微藻采收的先決條件。

  關(guān)于磁性納米粒子緊鎖高分子刷（NPPB）在微藻采收脫水上的應(yīng)用已獲美國(guó)專利（Liang, H. J. Harvesting Micro Algae. U.S. Patent 9,464,268 B2, 2016）。相關(guān)研究成果最近以“Spontaneous microalgae dewatering directed by retrievable, recyclable, and reusable nanoparticle-pinched polymer brushes”為題發(fā)表在 Chemistry of Materials期刊（Chemistry of Materials, 2019， acs.chemmater.9b00336）上。論文第一作者為梁紅軍教授課題組博士畢業(yè)生Liangju Kuang （鄺良菊），目前在哈佛醫(yī)學(xué)院從事博士后研究。通訊作者為德州理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院Hongjun Liang （梁紅軍）教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b00336