FESE: 新泽西理工学院张文教授研究组 表征环境中纳米塑料的挑战

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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-021-1445-z

文章出版：Front. Environ. Sci.  Eng. 2022, 16(1): 11

原文信息

题目：

Challenges in characterization of nanoplastics in the environment

作者：

Wen Zhang (✉), Qi Wang, Hao Chen

作者单位：

New Jersey Institute of Technology, USA

通讯作者邮箱：

[e-mail]

关键词：

Nanoplastics (纳米塑料),

Microplastics (微塑料), 

Plastic characterization (塑料表征), 

Particle separation (颗粒分离)

文章简介

塑料污染是我们当今最重要的、尚未解决的环境问题之一。自然风化或生物降解等过程导致塑料分解成微塑料(<5 mm)和纳米塑料(<0.1 µm)。由这些细小的塑料颗粒所引发的环境和生态问题受到了公众广泛关注。目前，研究人员已对微塑料开展了深入研究，而对纳米塑料的物理化学性质、环境丰度、存在形态、生物利用度和毒性等方面的研究尚不充分。由于纳米塑料可渗透细胞膜并且具有生物富集效应，所以纳米塑料可能比微塑料更具生物毒性。因此，评估环境中纳米塑料的生态环境风险至关重要。但由于纳米塑料尺寸小、浓度相对较低以及多与染料或天然有机物等物质共存，纳米塑料的分离、可视化和鉴别方面存在很大困难，有效仪器和方法应用非常有限。本文批判性地综述了目前用于环境样品中纳米塑料表征的最新技术，从预处理与分离、可视化、量化和化学鉴定四个方面展开。本文依据各个技术的操作原理，分析了这些技术的应用范围和局限性。

(1)预处理与分离

由于共存物质会干扰纳米塑料表征分析，在分析前需经过预处理和分离来去除共存物质。但经化学(酸、碱或有机溶剂)或酶消解去除时会损害塑料完整性并导致其无法被检出。使用小孔径(0.02–5 μm)的超滤或纳滤膜可分离环境中的纳米塑料，但是纳米塑料难以从聚合物膜中分离。此外，聚合物滤膜也会通过增加仪器背景信号来影响纳米塑料检测。目前，虽然非对称流场流分馏(AF4)和流体动力学色谱法(HDC)可以分别分离>200 nm和10 nm-1000 nm的纳米颗粒，但AF4和HDC仅被用于分离特定纳米塑料或无机纳米颗粒，在纳米塑料分离方面尚未得到广泛应用。

(2)可视化

由于纳米塑料的尺寸接近光学衍射极限(分辨率通常为 1 µm)，因此纳米塑料难以用传统的光学显微镜、荧光显微镜甚至电子显微镜观察。即便是暗场高光谱成像(HSI)技术已成功在活生物体中检测到低至100 nm的聚苯乙烯纳米塑料，然而HIS具有操作复杂、需要建模、标准物校准和处理大量像素数据等特点阻碍其广泛应用。

(3)量化

动态光散射(DLS)和纳米颗粒跟踪分析技术(NTA)可测量液体中纳米塑料的流体动力学尺寸和zeta电位。除此之外，NTA可测量颗粒浓度。使用DLS和NTA前需对溶液中目标颗粒进行纯化，否则检测过程中会受到共存胶体和碎片的干扰。原子力显微镜(AFM)结合拉曼(IR)或红外技术虽然已在贻贝中鉴定出1000 nm聚苯乙烯纳米塑料，但此联用技术需要准备薄而光滑的样品，纳米塑料局部热膨胀太小也会影响检出结果。

(4)化学鉴定

纳米塑料低于傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼以及微FTIR (μ-FTIR)的检测限(1-10 μm)。使用气相色谱质谱法(GC-MS)等联用技术，如，热解气相色谱质谱法(Pyr-GC/MS)和热解吸热解气相色谱质谱(TD-Pyr-GC/MS)，可识别聚合物中的化学添加剂等有机片段和结构信息。使用热解吸质子转移反应质谱(TD-PTR-MS)可检测分子量高达~500 m/z的挥发性和半挥发性溶解有机物。使用基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)可解析聚合物组成单元、端基和分子式、也可用于表征微塑料颗粒的大小和丰度。使用离子迁移谱(IMS)可分离和识别目标成分，还可解析纳米塑料的尺寸分布、孔隙率和分布。上述所有质谱方法定量能力都比较有限。相比之下，单粒子电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测限较低(颗粒数：8.4 × 10⁸颗粒/升，尺寸：1 nm - 1 µm)。

文章摘要图

编委点评

目前在环境、饮用水、食品中等均发现了纳米塑料。纳米塑料被认为是一种新的人为颗粒污染物，已经引起了科学界和公众的高度关注。为研究纳米塑料，亟需了解和优化现有分析表征方法，并开发新的有效方法。此文从各个仪器的操作原理，分析了目前所应用的分析表征技术的使用范围和限制条件，有助于研究人员使用合适的技术探究纳米塑料在环境中的赋存浓度和环境效应，也有助于研究者利用现有的方法，进行结合优势互补、并开发新方法，以实现可靠和有代表性的环境纳米塑料的表征分析。

编者 | 陈孟立

点评 | 陈一

致  谢

陈一，重庆大学环境与生态学院教授。国家高层次青年人才，研究方向为污水生态处理与再生回用。SCI期刊《Ecological Engineering》副主编，FESE青年编委；国际水协会（IWA）中国青年委员会，常务委员。主持完成了国家级/省部级重点项目10余项，在ES&T、Water Res.等期刊发表学术论文70余篇，获重庆市科技进步一等奖。

陈孟立，重庆大学环境与生态学院2019级环境科学与工程博士生，导师为陈一教授，主要从事微塑料的老化行为对河岸带生态系统的干扰机制研究。

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