激光诱导击穿光谱法用于直接分析原始状态及环境老化后的微塑料：基于主成分分析（PCA）的方法

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Laser-induced breakdown spectroscopy for direct analysis of pristine and environmentally aged microplastics: A PCA-based approach

微塑料老化机理及LIBS-PCA分析技术研究，通过对比生物/化学老化及重金属暴露下PS、PE、PVC的元素特征变化，结合光谱分析与主成分分析，揭示表面氧化与生物膜形成对元素吸附的影响差异。

　　本研究探讨了激光诱导击穿光谱（LIBS）结合主成分分析（PCA）在区分和表征不同环境老化阶段的微塑料（MPs）方面的潜力。研究对象包括三种常见的聚合物类型：聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC），以碎片形式存在。这些微塑料在无机和生物条件下被控制老化，分别持续1周和6周，并在特定重金属离子（镉、铬和铅）存在或不存在的情况下进行模拟环境污染。LIBS-PCA方法成功地区分了原始与老化后的微塑料，并能够识别不同聚合物类型及老化情况。生物老化导致显著的元素变化，这一现象通过平行的叶绿素a测量进一步支持，用于评估生物膜的形成情况。这些发现表明LIBS-PCA在复杂环境背景下，是一种快速且具有信息量的工具，用于监测微塑料的转化过程。

微塑料是指粒径在1微米到1000微米之间的塑料颗粒，它们涵盖了多种聚合物类型和形态。微塑料的持久性和广泛分布使其成为全球关注的环境问题之一。微塑料通常被分为两类：一类是初级微塑料，它们是以小尺寸制造并直接使用的；另一类是次级微塑料，它们是由较大塑料垃圾的碎片化形成的。许多微塑料来源于一次性塑料制品，如包装材料，这在一定程度上加剧了环境污染。微塑料的微小尺寸、大表面积以及疏水特性增强了其吸附和运输有毒污染物的能力，从而对生态系统和人类健康构成重大风险。

在自然环境中，微塑料会经历多种老化过程，这些过程会改变其物理化学性质和生态相互作用。老化机制可以分为无机老化（如光降解、机械磨损和氧化）和生物老化（如微生物定植和生物降解）。无机老化过程，如紫外线照射，可能导致微塑料表面出现裂纹，增加其亲水性，并改变聚合物的结晶度。另一方面，生物老化则引入了生物膜，这些生物膜可能进一步介导化学变化，并影响污染物的吸附。这些转化过程对微塑料的环境行为和毒性具有重要影响，因此需要先进的分析技术来研究其老化动态和相互作用。

LIBS作为一种先进的、多功能的分析技术，近年来在环境微塑料研究中展现出重要价值。该技术通过将高能激光脉冲聚焦在样品表面，引发局部气化并形成等离子体。随着等离子体冷却，它会发出具有特征波长的光，这些波长与样品的元素组成相关。通过捕捉和分析这些发射光谱，可以进行定性和定量元素分析。LIBS技术的优势在于其能够快速进行多元素分析，并适用于所有物质状态和空间分辨率的元素成像，这对固体样品尤其有价值。在微塑料研究中，LIBS已被证明是一种有效的工具，用于聚合物识别、检测表面结合的污染物以及监测与老化相关的表面变化，如氧化或微生物定植。其对痕量元素的检测能力，使其在表征原始和环境老化后的微塑料方面表现出色。

为了进一步提升LIBS在微塑料分析中的应用，研究者将其与化学计量学方法，特别是PCA相结合。PCA是一种用于处理复杂数据的统计技术，它通过构造新的正交变量，即主成分（PCs），作为原始变量的线性组合，来降低数据的维度。这些主成分按照保留数据最大方差的顺序排列，从而有助于聚类和分类任务。在微塑料研究中，PCA被用于处理LIBS发射光谱数据，成功区分了常见的聚合物类型，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS），这些区分主要基于碳、氢和氧发射线的细微差异。此外，PCA也被用于辨别原始与环境老化后的微塑料，揭示了由无机和生物降解过程引起的组成变化。最近的研究进一步强调了化学计量工具在LIBS基础上的微塑料分析中的重要性。例如，有研究显示，LIBS结合多变量模型能够准确预测微塑料在环境暴露下的化学变化。另一项研究则引入了改进的光谱预处理和机器学习方法，提高了对微塑料聚合物差异的分辨能力。这些进展表明，LIBS与PCA及相关多变量方法的结合，不仅能够提升微塑料分类的准确性，还能深化对环境驱动转化机制的理解。

本研究的创新之处在于以下几个方面：首先，采用控制实验，对无机老化和生物老化进行了直接对比，使用相同的聚合物材料和相同的采样时间（1周和6周）；其次，引入了环境相关的重金属污染（镉、铬和铅），这有助于评估这些重金属对生物膜形成的间接影响，即使在直接LIBS检测不可行的情况下；第三，通过叶绿素a的定量分析和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）成像，独立验证了生物膜的形成；第四，采用了一种聚焦的元素标记方法（如镁、钾、钙和钠），以区分由生物膜驱动与无机吸附过程引起的元素变化；最后，设计了一个透明的预处理流程，旨在减少LIBS数据的变异性，同时保留生物相关的变化趋势。这些创新措施使得研究能够有效展示LIBS-PCA在区分原始塑料、不同老化状态和聚合物类型方面的应用潜力，并为环境驱动的转化机制提供了深入的见解。

在实验准备和表征方面，测试的PE、PS和PVC微塑料以碎片形式存在，这些碎片来源于商业产品（如颗粒、杯子和管道）。在实验室中，使用超离心机ZM 300（Retsch，德国）配合1毫米筛网进行研磨处理，同时在研磨过程中对塑料样品和研磨机进行液氮冷却。研磨完成后，微塑料碎片进一步通过800微米筛网进行筛选。这些微塑料碎片的化学特性被详细表征，以确保其在后续实验中的代表性。

研究结果表明，LIBS结合PCA在区分不同老化阶段和类型方面表现出色。通过PCA处理LIBS数据，能够清晰地识别出不同老化条件下微塑料的元素变化。特别是在6周的老化过程中，生物老化条件下的微塑料表现出显著的元素变化，这反映了微生物活动及其对微塑料表面化学的影响。这些结果进一步强调了生物膜在环境暴露过程中对微塑料转化的驱动作用。此外，研究还发现，不同重金属离子的存在可能对生物膜的形成和元素吸附产生不同的影响，这为理解微塑料在复杂环境中的行为提供了新的视角。

在讨论部分，研究者深入分析了LIBS-PCA在微塑料分析中的实际应用。他们指出，虽然LIBS传统上用于材料表征，但近年来其在微塑料研究中的应用迅速增加。通过结合PCA，LIBS不仅能够识别微塑料的聚合物类型，还能揭示其在不同环境条件下的老化特征。这种技术的组合为微塑料的快速、高通量分析提供了新的可能性，特别是在需要同时考虑多种环境因素的情况下。此外，研究还强调了环境相关重金属污染对微塑料转化的潜在影响，这些影响可能通过改变微塑料的表面化学特性而显现。这些发现不仅有助于理解微塑料在自然环境中的行为，还为制定有效的环境监测和治理策略提供了科学依据。

本研究的结论表明，LIBS-PCA的结合能够有效区分原始微塑料与经过长期环境老化后的微塑料。6周的老化，尤其是在生物条件下，导致了显著的元素变化，这反映了微生物活动及其对微塑料表面化学的影响。这些结果进一步强调了生物膜形成在环境暴露过程中对微塑料转化的重要性。尽管在某些情况下，直接的LIBS检测可能受到环境因素的干扰，但通过引入环境相关的重金属污染和独立的生物膜验证方法，研究能够更全面地评估微塑料的转化过程。此外，研究还展示了LIBS-PCA在处理复杂环境数据时的稳健性和有效性，为未来的环境监测和微塑料研究提供了新的工具和方法。

研究团队的贡献分工表明，Pavlína Modlitbová在原始撰写、项目管理、方法论、调查和正式分析方面发挥了关键作用。Dominik Ko?enda负责原始撰写、验证、软件开发、正式分析和数据管理。Daniel Holub则在可视化、验证、软件开发、方法论和数据管理方面做出了贡献。Mark Starin参与了调查、正式分析和数据管理。Janja Novak在方法论、正式分析、数据管理和概念设计方面发挥了作用。Ula Putar负责原始撰写、方法论、调查和正式分析。这些分工体现了团队在不同研究环节上的专业性和协作精神，为研究的顺利进行和成果的取得提供了坚实的基础。

研究的资助来源包括斯洛文尼亚研究与创新署（ARIS）、捷克科学基金会（GA?R）和奥地利科学基金（FWF），具体项目为PLASTsensing（J1–4415, 23–13617?L, I-6262-N），以及研究项目PLAStouch（N2–0298）和PLAST-N-cycling（Z1-60166）。这些资助机构的支持为研究提供了必要的资源和条件，确保了实验的科学性和数据的可靠性。研究团队还感谢了卢布尔雅那大学研究中心的支持，这表明研究在跨学科合作和资源共享方面得到了重要保障。

本研究不仅为微塑料的环境行为提供了新的分析工具，还为理解其在不同环境条件下的转化机制提供了科学依据。通过LIBS-PCA的结合，研究能够有效识别微塑料的聚合物类型和老化状态，并揭示生物膜和重金属污染对微塑料表面化学的影响。这些发现对于环境科学、材料科学以及公共健康等领域都具有重要意义。未来的研究可以进一步探索LIBS-PCA在更大规模和更复杂环境中的应用，同时结合其他先进的分析技术，以提高微塑料研究的深度和广度。此外，研究还可以关注不同环境条件对微塑料转化的综合影响，以及这些转化对生态系统和人类健康的潜在风险。这些方向的研究不仅能够推动微塑料科学的发展，还能为环境保护和治理提供更加精准的策略和方法。