通过简单物理混合构建磁性吸附剂的普遍机制见解：界面能景观与可逆分离

Langmuir 2025

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c04359

本文系统揭示了通过简单物理混合法（PCM）制备磁性吸附剂的机制，基于DLVO理论阐明了胶体凝聚过程的核心作用，并提出了通用的设计原则，显著简化了磁性固相萃取（MSPE）工作流程，同时保持高性能，拓宽了其在环境、生物医学和分析化学中的应用。

磁性固相萃取（MSPE）作为一种强大的样品预处理技术，广泛应用于环境监测、食品安全、药物检测等领域。然而，功能性磁性吸附剂的制备通常涉及复杂且耗时的过程，限制了其实际可扩展性。尽管物理混合法（PCM）被提出作为简单、可扩展且经济高效的方法，但其核心机制尚未明确，阻碍了更广泛的应用。因此，揭示PCM方法的机制并建立通用设计原则，对于推动MSPE技术的发展具有重要意义。

研究过程中面临的关键挑战包括如何系统解析磁性颗粒（MPs）与非磁性吸附剂（NMAs）之间的相互作用机制，尤其是在不同颗粒尺寸、表面性质及电解质浓度下的行为差异。此外，如何验证该方法的普适性并优化关键参数（如磁性颗粒用量和电解质浓度）以实现高效提取，是另一大难点。此前提出的“聚集包裹”理论虽有一定解释力，但无法涵盖扩展粒子系统的行为，进一步增加了机制解析的复杂性。

相关领域的研究表明，磁性吸附剂的开发已通过多种材料（如二氧化硅、碳纳米材料、生物聚合物等）实现功能化，但这些方法通常步骤繁琐且成本高昂。2011年，本研究团队首次提出PCM方法，显著降低了制备成本并保持了优异的提取性能。然而，关于PCM驱动的颗粒共回收机制的研究仍显不足。DLVO理论在胶体凝聚中的应用为理解颗粒间相互作用提供了理论框架，但其在磁性吸附剂制备中的具体作用尚需进一步验证。

· 磁性颗粒与非磁性吸附剂的相互作用：研究通过四种磁性颗粒（Syn-1、Syn-2、Si-MPs和MNPs）与不同非磁性吸附剂的混合实验发现，不同磁性颗粒对不同非磁性吸附剂的提取能力存在显著差异。例如，Syn-1能够成功提取所有测试的胶体目标，而MNPs则完全无法收集任何目标。

· 理论计算与实验验证：基于DLVO理论的计算表明，范德华力在粒子聚集过程中起主导作用，而静电排斥可通过调整离子强度来缓解。实验结果表明，在高离子强度条件下，所有测试系统均能实现完全澄清，证实了这一理论预测。

· 离子强度的影响：通过改变NaCl浓度，研究了离子强度对磁性颗粒与非磁性吸附剂之间相互作用的影响。结果表明，较高的离子强度可以显著提高粒子回收效率。例如，500 nm PS微球在2 M NaCl条件下使用Si-MPs时，回收率达到88.7%，而在0.5 M NaCl条件下使用MNPs时，回收率高达94.2%。

· 分离过程：为了验证磁性颗粒与非磁性吸附剂聚集的可逆性，研究采用了洗脱和再分散的方法。通过水和乙醇的连续洗涤协议，成功将石墨烯和3 μm PS微球从其与Si-MPs形成的聚集复合物中分离出来。多次洗脱后，所有聚集物完全解离，允许孤立的Si-MPs被磁性回收。

· 不可逆聚集现象：某些粒子系统，特别是未添加盐的系统（如Syn-2/石墨烯粒子对），表现出抗再分散性。这种不可逆聚集可能源于异常强的范德华相互作用或深能阱内化学键的形成。

本研究揭示了PCM方法构建可定制磁性吸附剂的底层机制，表明DLVO理论控制的胶体凝聚是高效共提取的核心。通过结合实验验证和理论计算，确定范德华力是驱动粒子聚集的主要力量。该研究不仅解决了长期以来关于PCM的模糊问题，还为设计多样化的磁性吸附剂提供了实用框架，无需复杂合成。PCM方法的简单性、可扩展性和适应性使其成为MSPE的变革性工具，在环境监测、生物分析和工业流程中具有广泛应用潜力。