蛋壳膜模板化二氧化锰纳米颗粒：简便合成和盐酸四环素去污

背景

药品和个人护理产品（PPCPs）是一种新兴的水污染，从生态和人类健康的角度受到研究人员的密切关注[1,2,3,4,5]。抗生素作为一种治疗和预防细菌感染的药物在世界范围内使用，随之而来的对环境的不利风险也逐渐出现[6]。作为代表，四环素 (TC) 药物已在兽医科学和水产养殖中使用多年 [7]。然而，TCs在环境中难以降解，长期存在[8, 9]，对生态系统或人类健康造成各种负面影响[10,11,12,13]。因此，筛选一种简便有效的TC污染水净化方法成为研究的热点。一种很有前景的技术可能是二氧化锰纳米材料的辅助。

二氧化锰纳米材料因其具有高表面积、可调结构、催化氧化活性和生态无害等独特优点而得到广泛研究[14, 15]。因此，基于纳米二氧化锰的应用涵盖了从催化 [16, 17]、传感器 [18, 19] 和电容器 [20, 21] 到药物输送 [22, 23] 和癌症治疗 [24, 25] 的各个领域。 ]。同理，具有吸附和氧化特性的二氧化锰纳米材料已应用于废水处理。报道了用二氧化锰纳米材料处理的水污染物，包括重离子 [26]、有机染料 [27] 和酚类 [28]。同时，左氧氟沙星[29]、环丙沙星[30]、诺氟沙星[31]、磺胺甲恶唑[32]、磺胺嘧啶[33]、头孢唑啉[34]、林可酰胺[35]和TCs[36、37]等抗生素已获得成功。通过 MnO2 处理去污染。针对 TC 抗生素，使用高度多孔的 MnO2 纳米片降解四环素，并研究了基于 pH、温度和剂量的动力学 [38]。应用基于 MnO2 的方案同时去除四环素盐酸盐 (TCH) 和 As(III)，并研究了在 MnO2 处理过程中对砷和抗生素的交互作用 [39]。使用 MnO2 降解四环素抗生素，并报告了转化动力学和途径 [40]。上述工作虽然获得了较高的TCs去除效率，但降解操作通常涉及离心或过滤以将物质与抗生素溶液分离，这需要大量的处理时间并且使过程复杂化。

蛋壳膜 (ESM) 作为一种具有非凡性能的独特生物材料，已广泛应用于材料科学 [41]。 ESM 中纤维的主要成分是一种蛋白质，它赋予 ESM 结合金属的能力。使用 ESM 作为模板成功合成了 Ag NPs 和 Au NPs 等贵金属纳米材料 [42,43,44]。此外，还通过ESM模板制备了ZnO[45]、Co3O4[45]、PbO[45]、Mn3O4[46]和TiO2[47]等金属氧化物纳米材料，使合成容易且可控，因此为金属或金属氧化物纳米粒子的合成提供了一条新途径。

在这项工作中，蛋壳膜模板化的 MnO2 纳米粒子 (MnO2 NPs/ESM) 通过生物模板方法简单快速地合成。蛋壳膜起到模板和还原剂的双重作用，使纳米颗粒均匀分散在宏观膜上。将氧化性MnO2纳米粒子与易于操作的膜相结合，将MnO2 NPs/ESM进一步应用于盐酸四环素去污，只需从溶液中取出即可轻松分离纳米材料。

方法

材料和设备

电导率为 18.2 MΩ cm ⁻¹ 的去离子水 本实验中使用的是来自水净化系统（ULUPURE，成都，中国）。高锰酸钾 (KMnO4, M w =158.03)，MnO2 粉末和其他试剂至少为分析纯，购自科米欧化工有限公司（中国天津）。四环素盐酸盐（TCH，USP 级）和谷胱甘肽（GSH，98%）购自阿拉丁试剂公司（中国上海）。蛋壳膜（ESM）是从太原理工学院红叶学生食堂获得的新鲜蛋壳上小心剥离的。将 39 mL NaH2PO4 溶液 (0.2 M) 和 61 mL Na2HPO4 溶液 (0.2 M) 混合制备 PBS 缓冲溶液 (0.2 M, pH =7.0)，并通过用氢氧化钠滴定上述溶液制备不同 pH 值的 PBS 溶液或盐酸溶液（两种浓度均为 0.2 M）至所需的 pH 值。

MnO2 NPs/ESM 的扫描电子显微镜 (SEM) 在 Quanta 200 FEG 扫描电子显微镜上进行，用于形态观察。 MnO2 NPs 的透射电子显微镜 (TEM) 和高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 在 Tecnai-G20 透射电子显微镜上进行。在激光粒度仪（Malvern Nano-ZS90）上获得所制备的 MnO2 NPs 的尺寸分布。 X 射线光电子能谱 (XPS) 在 AXIS ULTRA DLD 电子能谱仪 (Kratos) 上收集，使用单色 Al Kα 辐射进行产品的表面组成和化学状态测试。 ESM 和 MnO2 NPs/ESM 的热重 (TG) 分析是在空气中以 10°C/min 的加热速率在 Rigaku TG 热分析仪（Rigaku Co. Japan）上测量的。傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 从 4000 到 400 cm ^-1 ESM 和 MnO2 NPs/ESM 在 Tensor II FTIR 光谱仪（Bruker，德国）上的 KBr 盘中记录，并通过解卷积处理光谱。 TCH的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱在TU-1901紫外-可见分光光度计(中国浦西)上记录。

ESM 模板化二氧化锰纳米粒子的合成

蛋壳膜模板化的 MnO2 纳米粒子 (MnO2 NPs/ESM) 是通过简单易行的方法合成的。在一个典型的过程中，蛋壳膜首先从新鲜的蛋壳上手动剥离，然后用去离子水清洗十次，去除不需要的蛋清。在室温下干燥后，将干净的 ESM 切成片，每片 5 毫克。合成后，将 10 片 ESM 浸泡在 20 mL KMnO4 溶液 (1 mmol/L) 中，开放系统在室温下保持搅拌。 35 分钟后，取出 ESM 切片，用去离子水洗涤 10 次，去除多余溶液。最后，将所得膜干燥并在室温下储存以进一步表征和使用。

TCH 净化

通过将MnO2 NPs/ESM简单地加入TCH溶液中并在室温下搅拌来进行TCH的去污。将 20 片 MnO2 NPs/ESM 放入 15mL TCH 溶液 (50mg/L) 中，用 PBS 缓冲溶液稀释并保持搅拌 60 分钟。在室温下立即记录处理后的 TCH 溶液的紫外-可见光谱。 TCH 测量的所有吸收强度都设置在 358 nm 的波长。去除效率（R , %) 使用以下公式计算：

其中 C 0 和 C (mg/L)分别代表处理液中TCH的初始浓度和终浓度。

结果与讨论

MnO2 NPs/ESM 合成的机理和监测

MnO2 NPs/ESM 的合成在开放系统中进行，ESM 作为生物模板。蛋壳膜由许多纤维状蛋白质组成，其上散布着大量的还原基团，如-OH、-NH2、-SH等。一旦引入 KMnO4，就会触发原位氧化还原反应。在生成 MnO2 的同时，它会在这些活性基团周围逐渐生长。因此，它被均匀地分散在纤维蛋白的表面，形成了以 ESM 为模板的 MnO2 NPs。

图 1a 显示了不同时间合成系统的照片，其中紫色的 KMnO4 溶液逐渐变成浅棕色，同时白色的 ESM 切片变成棕色（图 1b、c）。为了监测合成过程，在图 1d 中研究了 KMnO4 在 525 nm 处的吸收强度和该系统的 pH 值。如图所示，KMnO4 的吸收强度随着时间的延长而降低，相反，pH 值逐渐提高。两组数据均在 35 分钟后显示平台，因此选择合成时间。 pH值升高的原因是反应过程中形成了-OH，推测反应过程如下：

ESM (红色) + KMnO4 + H2O → MnO2/ESM (Ox) + OH¯ + K ⁺

一 不同时间合成系统的照片。 b 氧化还原反应前的 ESM 切片图像。 c MnO2 NPs/ESM 的图像。 d KMnO4 在 525 nm 处的吸收强度。 e 不同时间合成体系的pH值

MnO2 NPs/ESM 的表征

通过图 2 中的扫描电子显微镜 (SEM) 研究获得的 MnO2 NPs/ESM 的形态。在图 2a、b 中观察到多层和交叉的纤维蛋白网络。进一步放大后，发现大量颗粒均匀地包覆在纤维蛋白的表面。因此，可以得出结论，ESM 在合成过程中不仅充当还原剂，而且充当模板。为了进一步研究 MnO2 颗粒的尺寸，进行了激光粒度仪测试。为了排除 4.8 nm 的颗粒是分解蛋白质的可能性，首先将 MnO2 NPs/ESM 和等量的空白 ESM（对照）放入 NaOH 溶液（0.1 M）中煮沸 30 分钟，然后过滤形成满足试验条件的溶液。在附加文件 1：图 S1 中发现，MnO2 NP 的平均尺寸为 4.8 nm。 NaOH 处理前后的 MnO2 NPs/ESM 照片显示在附加文件 2 中：图 S2A。很明显，NaOH 处理后膜的棕色明显褪色，而膜保持不变，表明 MnO2 NPs 从模板中释放出来。考虑到来自蛋壳的蛋白质的大小可能会干扰结果的问题，从空白 ESM 和 MnO2（附加文件 2：图 S2B）中获得 NaOH 处理后的过滤溶液分别为无色和棕色。此外，在附加文件 2：图 S2C 中，NaOH 处理后 ESM 的尺寸分布数据显示平均尺寸为 1.7 nm。因此，排除了 4.8 nm 的颗粒是来自 ESM 本身的分解蛋白质的可能性。基于此，在上述滤液透析后捕获TEM。如图 2c 所示，观察到球形纳米颗粒，其尺寸与附加文件 1：图 S1 中的尺寸一致。图 2d 中的 HRTEM 图像表明晶格间距为 2.5 Å，与 α-MnO2 [48] 的 (400) 晶格平面非常吻合。

具有不同比例尺 (2 μm (a ) 和 200 纳米 (b ))。 TEM (c ) 和 HRTEM (d ) MnO2 NPs 的图像，比例尺分别为 10 nm 和 5 nm

此外，对所获得的 MnO2 NPs/ESM 的表面组成和元素分析进行​​了 X 射线光电子能谱 (XPS) 技术。全扫描光谱（图 3a）表明合成材料由元素 Mn 2p、O 1s、N 1s 和 C 1s 组成。元素 C 1s、N 1s 和部分 O 1s 来自模板 ESM。测量Mn 2p 和O 1s 的部分XPS 光谱以研究细节。如图 3b 所示，653.8 和 642.0 eV 处的两个峰可以分别归于 Mn 2p1/2 和 Mn 2p3/2。 O 1s 光谱（图 3c）可分为三个组分峰，结合能分别为 532.6、531.4 和 530.5 eV，分别归因于 H-O-H、Mn-O-H 和 Mn-O-Mn ， 分别。以上数据表明所制备的材料为ESM模板化的MnO2纳米颗粒。

XPS (a ) 全扫描, (b ) 锰 2p, (c ) 制备的 MnO2 NPs/ESM 的 O 1s 光谱

为了进一步验证这一结果，受 GSH 和 MnO2 之间特殊反应的启发，将 GSH 溶液应用于测试由此获得的材料 [49, 50]。如附加文件 3：图 S3 所示，在 GSH 溶液中浸泡 1 分钟后，MnO2 的棕色消失，表明 ESM 上涂覆的材料是 MnO2。此外，还进行了热重 (TG) 分析以测量 ESM 上 MnO2 的质量含量。附加文件 4 中的黑色和红色曲线：图 S4 分别代表 ESM 和 MnO2 NPs/ESM 的质量变化。 ESM 的相对质量在 600°C 时几乎为零，表明 ESM 已完全烧毁。然而，ESM 模板化 MnO2 NPs 的相对质量在 ESM 烧毁后保持在 2.61%。据报道，MnO2 在 500°C 下热分解并转化为 Mn2O3 [51]。此外，Mn2O3 进一步热分解为 Mn3O4 在 1000°C 以上发生 [52]。因此，在本实验中获得的 800°C 下 2.61% 的质量含量反映了 Mn2O3 的含量。根据Mn的质量守恒，计算出ESM上MnO2的原始负载量为2.88%。

将材料研磨成粉末后收集 ESM 和 MnO2 NPs/ESM 的 FTIR 光谱（附加文件 5：图 S5）。蛋白质与纳米粒子之间的相互作用主要涉及二级结构的变化，这反映在酰胺 I ~ 1650 cm ⁻¹ 的谱带上 （可能会移动一点）或酰胺 II ~ 1550 cm ⁻¹ .然而，峰值位置在 1650 或 1550 cm ^-1 附近没有明显变化 ESM 参与 MnO2 前后的变化，这与之前报道的可以证明蛋白质结构变化的结果不同[53]。为了深入了解细节并避免遗漏任何细微的变化，对这些光谱应用了去卷积。即使在 1650 或 1550 cm ^-1 附近没有出现可观察到的峰 , 506 cm ⁻¹ 处的新峰 MnO2 NPs 负载后出现，这与Mn-O 的特征振动模式有关[54]。

Mn 具有多种氧化态，因此有几种类型的氧化物，例如 Mn2O3、MnO 和 MnO2。 Mn2O3 的结合能与MnO2 接近。为了检查这项工作中 Mn 的氧化态，将所制备材料的 HRTEM 成像并显示在图 2d 中。检测到的 2.5 Å 晶格间距与 α-MnO2 [48] 的 (400) 晶格平面完全一致。此外，我们的 Mn 材料是基于 KMnO4 和 ESM 在中性条件下的氧化还原反应获得的，有利于形成 MnO2 而不是其他氧化态 [55]。重要的是，所制备的材料具有与 GSH 的反应活性（附加文件 3：图 S3），这也证明纳米颗粒是 MnO2 [49, 50]。据报道，MnO2 可以在 500°C 下热分解并转化为 Mn2O3 [51]。附加文件 4 中制备的材料的 TG 曲线：图 S4 显示在 500°C 附近有明显的重量损失，表明从 MnO2 转变为 Mn2O3，这是 Mn 氧化态为 MnO2 的又一证明。

通过 MnO2 NPs/ESM 对 TCH 进行净化

利用氧化性MnO2 NPs和宏观模板的优势，MnO2 NPs/ESM去除有效且易于操作，被应用于盐酸四环素（TCH）去污。图 4a 显示了仅通过 ESM（黑色）和 MnO2 NPs/ESM（红色）处理的 TCH 在 358 nm 处的时间依赖性吸收强度。结果表明，仅在 ESM 存在下，吸收强度保持不变。然而，在 MnO2 NPs/ESM 处理下，它首先急剧下降并逐渐变平。这种明显的对比证明了 MnO2 NPs/ESM 对 TCH 净化的能力。同样，ESM处理后TCH的UV-vis吸收光谱几乎没有变化，但在MnO2 NPs / ESM去污后358 nm处的吸收峰明显下降（图4b）。图 4c 研究了 TCH 的吸收光谱变化，其中 270 nm 处的吸收峰在前 10 分钟内降低，但观察到 358 nm 处的另一个峰随着时间的推移而降低。图 4d 计算了 MnO2 NPs/ESM 净化的时间依赖性去除效率，发现在 20 分钟时去除效率为 72.27%，在 60 分钟内可以达到 83.10%。

一 ESM 和 MnO2 NPs/ESM 处理对 TCH 的时间依赖性吸收强度。 b ESM或MnO2 NPs/ESM处理前后TCH的UV-vis吸收光谱。 c TCH 和 (d ) MnO2 NPs/ESM 处理的去除效率。 （条件：20片MnO2 NPs/ESM或ESM，TCH初始浓度为50 mg/L，控制pH为3.0）

pH 值和缓冲液对 TCH 去污的影响

pH 在基于 MnO2 的氧化降解中起重要作用，本工作研究了 pH 对 TCH 去污的影响。图 5a 显示了在不同 pH 值下 MnO2 NPs/ESM 处理 60 分钟前后 TCH 的吸收强度，相应的去除效率计算在图 5b 中。结果表明，在 pH 为 3.0 的 PBS 缓冲液中，MnO2 NPs/ESM 对 TCH 的净化效果最佳。此外，图 5c 研究了无缓冲溶液的 MnO2 NPs/ESM 对 TCH 的净化，其中 TCH 的吸收强度逐渐降低，降解系统的 pH 值稳步提高。在之前的工作中也报道了在去污过程中 pH 值升高的相同现象 [38]。值得注意的是，在开始时（前 20 分钟），没有缓冲液的去除效率比在缓冲条件下的去除效率提高得更快。然而，随着时间的推移，30 分钟后，使用缓冲液的去除效率超过无缓冲液的去除效率（60 分钟时缓冲为 83.10%，无缓冲条件为 78.37%）。通过从线性校准图（附加文件 6：图 S6 和附加文件 7：图 S7）计算的 TCH 浓度变化来监测去除效率。在缓冲条件下，PBS 中的盐离子阻碍了 TCH 分子扩散到 MnO2 NPs 表面进行进一步反应，因此反应速率低于没有缓冲剂的情况。然而，在无缓冲条件下，反应体系的pH值随时间的增加限制了MnO2 NPs的氧化能力，因此去除效率达不到控制最佳pH值下的去除效率。

一 TCH降解前后的吸收强度和(b ) 不同 pH 值下的去除效率。 c 无缓冲条件下TCH的时间依赖性吸收强度和pH变化。 d 缓冲和无缓冲条件下 TCH 去除效率的比较。 （条件：20片MnO2 NPs/ESM，TCH初始浓度为50 mg/L。）

TCH 去污的动力学研究

为了进一步了解 MnO2 NPs/ESM 对 TCH 的降解，通过改变 TCH 初始浓度或 MnO2 剂量来进行动力学研究。我们研究了缓冲条件下不同量 MnO2 的降解动力学。图 6a 显示了不同剂量 MnO2（0.0960、0.1440 和 0.1920 g/L）降解的 TCH 随时间变化的吸收强度，相应的去除效率计算在图 6b 中。拟一级和拟二级的线性动力学图分别拟合在图 6c、d 中。此外，通过监测不同时间的吸收强度（图 7a）和去除效率（图 7b），研究了不同初始浓度的 TCH（30、50 和 70 mg/L）与缓冲液的降解。图 7c、d 拟合了线性一阶/二阶动力学图以研究动力学。类似地，在附加文件 8：图 S8 和附加文件 9：图 S9 中分别研究了在无缓冲条件下不同量的 MnO2 NP 和不同初始 TCH 浓度下的降解动力学。表 1 展示了从不同条件获得的动力学数据。相关系数经过线性拟合和计算，以证明 MnO2 NPs/ESM 降解 TCH 的动力学。一般情况下，伪二阶模型计算的相关系数高于伪一阶模型，表明该过程与伪二阶模型更一致。详细地说，这种伪二阶模型在小剂量的 MnO2 或高初始浓度的 TCH 下具有更高的相关系数。无论哪种方式，与没有缓冲的降解相比，缓冲条件下的相关系数更接近于 1。

时间相关的a TCH和b的吸收强度 不同量的 MnO2 NPs/ESM 处理的去除效率。 c 线性一级动力学图和 d 不同量的 MnO2 NPs/ESM 处理的线性二阶动力学图。 （条件：TCH初始浓度为50 mg/L，控制pH值为3.0）

时间相关的a TCH和b的吸收强度 降解不同初始浓度TCH的去除效率。 c 线性一级动力学图和 d 不同初始浓度TCH降解的线性二阶动力学图。 （条件：MnO2 NPs/ESM剂量为0.1740 g/L，控制pH为3.0）

商业二氧化锰粉末与其他报道材料的比较

为了说明所制备的 MnO2 NPs/ESM 的先进性能，在相同条件下对比测试了等量的商业 MnO2 粉末的 TCH 净化。图 8 显示了制备的 MnO2 NPs/ESM 和商业 MnO2 粉末（使用或不使用缓冲液）的去除效率。结果表明，在两种条件下，MnO2 NPs/ESM 均比商业 MnO2 粉末具有显着优势。虽然在之前的工作中通过 MnO2 去污获得了大约 80% 的去除效率 [38, 39]，但在 pH =6.5 下通过基于 MnO2 和零价铁 (ZVI) 的渗透反应屏障 (PRB) 可以达到 98% ) 系统 [56]，这归因于 ZVI 与 MnO2 耦合的多重影响。此外，其他材料也应用于TC去污。由 Au 和 CuS 纳米颗粒（Au-CuS-TiO2 NBs）改性的固定化 TiO2 纳米带由于其优异的光催化活性而对土霉素（OTC）的去除效率为 96% [57]。氧化石墨烯 (GO) 作为一种有效的吸附剂，在 24 小时后显示出对 TC 的良好去除（R =96%) [58]。将粉末活性炭/Fe3O4 磁性纳米粒子（PAC/Fe3O4 MNPs）作为催化剂应用于H2O2 辅助的TC 降解，获得了94.5% 的去除效率[59]。注意到可以通过延长处理时间或增加材料剂量来提高去除效率[39]。然而，所有的工作都需要复杂的退化测量和后续处理，增加了劳动和测试时间。我们的方法操作方便，如既不离心也不过滤，将有助于净化过程。

a下等量商用MnO2粉末和MnO2 NPs/ESM对TCH去除效率的比较 缓冲和 b 无缓冲条件

结论

在这项工作中，通过混合蛋壳膜和高锰酸钾溶液，通过非常简单的程序合成了 MnO2 纳米粒子。这种苛刻的反应条件或复杂的后处理不必要的方法使合成和纯化过程变得快捷方便。得到的MnO2纳米颗粒均匀地分散在纤维蛋白表面，形成微观/宏观组合模式。此外，将蛋壳膜模板化的二氧化锰纳米粒子应用于盐酸四环素去污。在缓冲条件和伪二级模型动力学下，60 分钟后的去除效率为 83.10%。最值得注意的是，MnO2 NPs/ESM可以很容易地从溶液中分离出来，避免了离心或过滤等复杂操作，使其在纳米材料废水净化中具有优势。

缩写

ESM：

蛋壳膜

GSH：

谷胱甘肽

HRTEM：

高分辨透射电子显微镜

NP：

纳米粒子

场外交易：

土霉素

PBS：

磷酸盐缓冲盐水

PPCP：

药品和个人护理产品

SEM：

扫描电镜

TCH：

盐酸四环素

TC：

四环素

TEM：

透射电子显微镜

TG：

热重法

UV-vis:

紫外可见

XPS：

X射线光电子能谱