受蜜蜂腿启发,安徽农业大学AM:仿生纤维实现微塑料“捕获+检测”一体化

受蜜蜂腿绒毛结构-功能协同设计的启发，安徽农业大学叶冬冬教授、周亮教授团队开发了一种由海鞘纳米纤维素（TNC）和PDDA修饰的带正电MXene（P-MXene）组成的仿生分级纤维。该材料通过微流控纺丝与界面静电工程相结合，不仅具备仿生皱纹拓扑结构，还构建了理性设计的正电荷界面，能够自发捕获带负电的微塑料，吸附容量高达978.9 mg/g，是原始纤维的9倍。同时，MXene功能化表面作为高效的表面增强拉曼散射（SERS）基底，增强因子达1.2×10⁵，检测灵敏度提升128倍（图1e,f）。这一“捕获-传感”一体化平台有效抑制了复杂生物基质的干扰，并在植物组织（如豆芽）中实现了微塑料的痕量检测，揭示了其在根系中的优先富集现象。相关论文以“Bioinspired Hierarchical Cellulose/MXene Fibers for Integrated Capture and Ultrasensitive Detection of Microplastics in Complex Biological Matrices”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先通过微流控纺丝技术精确复制了仿蜜蜂腿绒毛的微观结构（图1a-c）。流变学分析显示，TNC悬浮液具有显著的剪切稀化行为，保证了连续稳定的纤维成型。在微流控通道中，剪切场诱导TNC发生强烈轴向排列，随后凝固和干燥过程中的各向异性收缩自发产生了仿生轴向皱纹，显著增加了可用于功能化的表面积。经PDDA修饰后，带正电的P-MXene纳米片组装到TNC纤维上，形成了精心设计的阴离子-阳离子-阴离子静电异质结构。该结构赋予纤维双重界面优势：内部界面中，阴离子TNC骨架与阳离子P-MXene之间的强静电吸引如同“分子胶水”，显著提高了涂层在机械变形、水溶胀和长期储存下的稳定性；外部界面则因暴露的带正电P-MXene层，成为高效捕获带负电微塑料的“静电网”。扫描电镜（SEM）直观显示，分级纤维表面密集覆盖了捕获的微塑料颗粒（图1d），定量分析表明其吸附能力提升约9倍，SERS信号强度增强128倍。

图1 | 分级纤维的仿生设计、制备与性能。（a）受蜜蜂腿绒毛启发的仿生捕获机制示意图。（b）蜜蜂腿绒毛微皱纹形貌的SEM图像。（c）微流控制备流程及所建立的负-正-负静电捕获模型。（d）分级纤维捕获微塑料的SEM表征。（e,f）原始纤维与分级纤维在（e）吸附容量和（f）SERS信号强度上的定量对比，显示显著性能跃升（分别约为9倍和128倍）；误差棒代表5次独立实验的标准差。

为阐明结构-性能关系，团队从纳米到微米尺度对纤维进行了系统表征（图2）。AFM成像揭示了互穿的纳米纤维素网络和厚度约4.18 nm的超薄P-MXene纳米片（图2b,c）。SEM捕捉到界面形态演变：原始纤维呈现暴露的纳米纤丝纹理（图2d），随后被致密均匀的P-MXene包覆层所包裹（图2e），且仿生轴向皱纹在涂层后完好保留。通过调控P-MXene的沉积循环次数（图2f），发现两次浸涂循环可获得紧凑连续的涂层，过少则覆盖不全，过多则导致界面分层或纳米片松散聚集。力学测试显示，两次循环的纤维在拉伸强度和断裂伸长率之间达到最佳平衡（图2g），同时SERS测量也证实该条件下电磁增强接近饱和且机械完整性未受影响。

图2 | 分级纤维的微观结构演变与界面优化。（a）连续微流控纺丝过程的光学照片。（b）互穿海鞘纳米纤维素网络的AFM形貌。（c）单层P-MXene纳米片的AFM厚度分析。（d,e）原始纤维（d）与分级纤维（e）的对比SEM图像，突出致密P-MXene包覆层的形成及仿生皱纹拓扑结构的保留。（f）不同浸涂循环次数对应的纤维涂层结构演变。（g）力学性能随浸涂循环次数的优化；误差棒代表3次独立实验的标准差。

关于捕获机理，研究证实微塑料吸附主要由静电相互作用主导（图3a）。原始TNC因表面带负电，对同样带负电的微塑料结合力微弱；原始MXene同样带负电，会产生静电排斥。PDDA修饰至关紧要——它将MXene表面电荷反转，形成带正电的捕获界面。Zeta电位测量确认，功能化后纤维表面电位达+37.5 mV（图3b），对带负电微塑料产生强烈静电吸引。吸附动力学显示，随时间推移，微塑料特征拉曼信号持续增强（图3c），表明长程静电相互作用驱动着连续富集。SEM可视化证实，分级纤维表面形成了致密的准单层微塑料堆积（图3d），而未修饰阳离子的对照纤维几乎无颗粒吸附。该纤维对多种尺寸、聚合物类型和浓度的微塑料均表现出广谱捕获能力（图3e），且吸附容量高达978.9 mg/g，在代表性商用吸附剂对比中处于领先地位（图3f）。

图3 | 静电主动捕获机制与吸附性能评估。（a）静电势阱驱动捕获机制示意图。（b）纤维与微塑料之间电荷对比的Zeta电位分析；误差棒代表3次独立实验的标准差。（c）微塑料的时间依赖性吸附动力学及1001 cm⁻¹处拉曼强度变化。（d）分级纤维与原始纤维在微塑料吸附后的对比SEM形貌。（e）对不同类型和尺寸微塑料的吸附容量，展示普适捕获能力；误差棒代表5次独立实验的标准差。（f）与代表性吸附剂的性能对比，突出分级纤维的优越容量[27–41]；误差棒代表5次独立实验的标准差。

在复杂生物基质中，植物组织的强烈背景散射常掩蔽PS纳米球的特征拉曼指纹（如1001 cm⁻¹的环呼吸振动峰）。而分级纤维作为高性能SERS基底，能有效抑制背景噪声并通过局域电磁增强放大目标信号（图4a-c）。以罗丹明6G（R6G）为探针，信号放大达一个数量级（图4d），最低检测浓度低至10⁻⁸ M。大面积SERS谱图（289个采样点）显示，相关系数在0.796至0.96之间，证实基底在超低浓度下具有可重复、均匀的识别能力（图4e）。最终，团队建立了标准化的富集-检测流程（图4f），用于追踪水培豆芽中的微塑料分布。高保真拉曼指纹（1001 cm⁻¹特征峰）成功从纤维接触的根提取物中检出，而豆芽信号明显减弱（图4g,h），表明短期暴露下微塑料优先富集于植物根系，这可能与生理运输屏障和质外体途径限制有关。

图4 | SERS增强机制及植物系统中微塑料的检测。（a）农业生态系统中微塑料传输风险示意图。（b）生物基质强背景干扰导致的信号掩蔽示意图。（c）电磁SERS增强机制实现背景抑制的原理图。（d）R6G在分级纤维与原始纤维上SERS强度的对比，显示数量级信号放大。（e）大面积SERS信号mapping，显示优异的光谱均匀性。（f）水培豆芽中微塑料追踪的标准化富集-检测流程。（g,h）从（g）豆芽和（h）根系获取的代表性拉曼光谱，显示微塑料（1001 cm⁻¹特征峰）在根系中的优先累积。

该研究成功弥合了污染物富集与鉴定之间的长期方法学鸿沟。仿生分级纤维结合了皱纹拓扑结构与阴-阳-阴异质结构，形成强静电势阱实现自发富集；同时P-MXene涂层作为高性能SERS活性界面，对R6G探针的增强因子达1.2×10⁵，并将微塑料检测灵敏度提升128倍。该平台有效克服了复杂生物基质干扰，实现了植物组织中微塑料的超灵敏检测。尽管当前微流控纺丝通量有限，但每份富集-检测分析仅需厘米级纤维段，故对概念验证和小规模痕量传感已足够。未来可通过并行化微流控通道或转至连续湿法纺丝系统实现放大，并进一步优化材料利用率和器件集成。该工作为痕量新兴污染物监测提供了有力工具，并为现实环境与生物场景中的集成传感-修复系统建立了通用仿生策略。