人們普遍愛食用魚，但許多人可能不知道食品和水產養殖在製作過程中產生了大量的魚鱗廢物，可能會造成嚴重的環境污染問題！今天就和小助手一起看看NUS針對此問題給出的回答吧！
魚肉是除了豬肉、牛肉、雞肉外為人們所歡迎的肉製品，但許多人可能不知道食品和水產養殖部門在準備、罐裝、切片、鹽腌和熏制等過程中產生了大量的魚鱗廢物。在垃圾填埋場處置魚鱗廢物可能會造成嚴重的環境污染問題。
所以，將魚鱗廢物轉化為功能材料有助於減少對環境的影響並產生經濟效益。
為此，NUS的物理學家開發了一種新方法，可將魚鱗廢物重新利用為生物吸附劑，有效去除水中的污染物羅丹明 B，同時也是一種信息加密材料。
由NUS物理系教授 Sow Chorng Haur 領導的一個研究小組發現，在最佳溫度下加熱魚鱗可以是水污染物羅丹明 B 合適的吸附劑。（羅丹明 B 是一種常見的粉紅色染料，用於紡織品、紙張、油漆和塗料中。水流示蹤劑，並且與癌症和肝衰竭等潛在健康風險以及對威脅海洋生態系統有巨大關係。
是該發現的研究小組的成員：NUS 物理系的 Sow Chorng Haur 教授（左）和 Sharon Lim 博士（右）
科學家們還發現，經過熱處理的魚鱗在紫外線 (UV) 光下發出鮮艷的青色光芒，而未經處理的魚鱗則發出暗淡的寶藍色螢光。可以利用魚鱗作為一種能夠傳輸微觀和宏觀文本和圖像的天然材料來利用這一特性。
「隨著全球人口的增長和資源變得更加有限，可持續發展需要更加重視廢物材料的再利用。全球範圍內，預計每年將有 7.2-1200 萬噸魚類廢物被丟棄。這使得魚鱗廢物成為升級回收的豐富資源。通過重新評估廢物流，在以前可能被忽視的材料中發現新的特性和多功能性，」Sow Chorng Haur 教授說。
研究團隊還包括NUS物理系的 Sharon Lim Xiaodai 博士、新加坡科學技術與研究局的張正博士以及NUS數學與科學高中的 Malcolm Sow Miao Geng 先生。研究結果於 2023 年 10 月 16 日發表在《自然通訊》雜誌上。
1. 賦予魚鱗廢物新生命
魚鱗主要由交錯膠原蛋白（一種以保持年輕外觀而聞名的蛋白質）和羥基磷灰石（一種在骨骼和牙齒中發現的礦物質）組成。
由於這兩種化合物具有良好的生物相容性，人們使用不同的方法提取它們，以進一步開發成有助於檢測研究中生物分子的螢光標記。
然而，這些過程通常需要大量的時間、能源和化學資源。通過更直接、更有效的方法增強魚鱗的螢光將提高成本效益。
通過研究人員簡便的加熱方法，魚鱗會發生化學和物理變化。長鏈膠原蛋白被分解成更小的片段，在紫外線激發下發出藍光。同時，原子排列發生改變，形成表面和內部孔隙，從而改變螢光特性並增強污染物吸附。
當與羅丹明 B 接觸時，經過熱處理的魚鱗在短短 10 分鐘的接觸時間內有效去除了 91% 的污染物。被羅丹明 B 污染的魚鱗可以通過簡單的超聲處理過程重複使用，從而增強材料的可持續性。這種創新技術僅需要一個熱退火步驟，比使用其他廉價生物質（例如活性炭白糖）更具成本、能源和時間效率，活性炭白糖需要經過化學處理、洗滌和熱退火多個步驟才能去除羅丹明 B。
發光魚鱗
經熱處理的魚鱗在不同類型的光下的螢光特性也可用於隱寫目的。刻度可以在電爐上批量加熱並排列以傳達信息，或者在微觀刻度上雷射鵰刻文本和圖像。
這些隱藏的信息可以在紫外線下顯現出來。吸附了羅丹明 B 的熱處理魚鱗在綠光激發下也會發出橙色光，而不含羅丹明 B 的相同熱處理魚鱗在相同光線下顯示出非常暗淡的藍色螢光，這為隱寫圖案設計提供了另一種選擇。
從左到右：在白光、紫外線和綠光下熱處理的魚鱗
接下來，小助手帶大家看看NUS的物理學家們是如何發現這些的吧~
·原始魚鱗的宏觀生物螢光調諧
原始魚鱗與加熱魚鱗的製作和表征
將現成的淡水紅羅非魚(RT) 魚鱗夾在兩個預熱的不鏽鋼板之間，在電爐上加熱至所需溫度 3 分鐘。光學表征在明場（BF）、紫外（UV）和綠光（G）激發光源下進行（圖a）。在不加熱的情況下，原始魚鱗（圖b）在紫外線激發下表現出微弱的螢光。加熱至 270 °C 後，未燒焦的加熱魚鱗在紫外線激發下觀察到強烈的青色螢光。雖然從燒焦的魚鱗中觀察到更明亮的螢光，並在 BF（在 300 °C 下加熱）中可見褐變，但它們的脆性使其不適合預期應用。因此，這項工作將重點關注未燒焦的加熱魚鱗。在 BF 觀察下，加熱的魚鱗與原始魚鱗的不可區分性使得離散的信息/圖案隱藏在魚鱗的集合中，並在紫外線照射下顯現出來。BF 下的魚鱗組合（圖c、e）在紫外線照射下揭示了隱藏的隱寫術，即笑臉（圖d）和象徵木的漢字（圖f）。
·建議的吸附機制、可恢復性和隱寫術應用
建議的吸附機制、可恢復性和隱寫術應用
a 553 nm 處的紫外-可見光吸收強度與所用魚鱗質量的關係圖。b對加熱的魚鱗和用 RhB 處理的魚鱗進行 XPS 分析。c原始和加熱的膠原蛋白和 HAP 提取物與 RhB 分子相互作用後的 FM 圖像。d加熱魚鱗上的 RhB 生物吸附等溫線。e原始魚鱗和加熱魚鱗的孔徑分布。f在去離子水中通過多輪吸附（R1、R3）和解吸（R2、R4）從 RhB 吸附中回收加熱的魚鱗（R0）。g由原始、加熱和加熱的魚鱗製成的宏觀 3D 花卉藝術作品，該魚鱗用於從 BF、UV 和 G 激發下採集的水中吸附 RhB。h在 BF 和 UV 照射下用加熱的魚鱗製成的貓雕塑。在綠色激發下，隱藏的波粒子雕塑在貓雕塑中顯現出來。
2. 未來的進一步研究
展望未來，研究團隊將研究開發經濟且易於使用的羅丹明 B 測試套件，用於使用熱處理魚鱗進行外場檢測。該方法將有助於最大限度地減少依賴天然水體的社區以及運輸受污染水源的外地科學家消耗和接觸羅丹明 B 的風險。
還計劃進一步研究探索熱處理的魚鱗是否可以吸附其他有毒化學物質。
參考文獻：
Upcycling fish scales through heating for steganography and Rhodamine B adsorption application，Nature Communications volume 14,Article number: 6508 (2023) .
數據圖片來自《Nature Communications》
其餘圖片來自NUS news
