基于硅胶色谱净化的热裂解-气质联用技术定量分析动物组织中聚苯乙烯纳米塑料的新方法

《Journal of Hazardous Materials Letters》：Development of a Silica Gel Chromatography-Based Cleanup Method for Quantification of Polystyrene Nanoplastics in Tissue Samples via Pyrolysis–GC/MS

本文针对生物样本中纳米塑料（NPs）定量分析面临的基质干扰和污染难题，开发了一种结合硅胶柱色谱净化与热裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）的分析方法。该方法通过二氯甲烷提取、碱消化和硅胶色谱分离，实现了聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs）在动物组织中的准确定量，回收率达91.2%-102.0%，检测限为3.0 ng。在鹌鹑肝脏样本验证中，暴露组PS NPs含量（33.8±1.5 ng g-1）显著高于对照组，为NPs的毒理学风险评估提供了可靠技术支撑。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，当塑料废弃物进入环境后，会通过物理、化学和生物降解过程逐渐破碎成更小的颗粒。其中，尺寸小于5毫米的微塑料（MPs）和尺寸更小的纳米塑料（NPs，通常小于1微米或100纳米）因其持久性和潜在生物毒性受到广泛关注。尤其令人担忧的是，纳米塑料由于尺寸更小，能够跨越生物屏障，进入生物体各个器官，甚至在人体的血液、肺部、胎盘、大脑等多个组织和体液中被检出。与微塑料相比，纳米塑料具有更高的生物可利用性、更强的系统分布能力以及更大的表面反应活性，因此可能带来更大的毒理学风险。然而，由于生物样本基质复杂、背景干扰严重以及实验过程中极易引入污染，对纳米塑料进行准确、可靠的定量分析一直是领域内的重大挑战。现有分析方法，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱，在检测纳米级颗粒时灵敏度不足，而热裂解-气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）技术虽能提供质谱定量信息，但其分析结果的可靠性常受限于生物基质（如脂质、蛋白质）的干扰以及样品前处理过程中的污染风险。因此，开发一种能够有效去除基质干扰、避免污染且适用于标准化应用的纳米塑料定量方法迫在眉睫。

为此，来自日本北海道大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Letters》上发表论文，开发了一种基于硅胶色谱净化的简单而稳健的方法，用于定量分析动物组织中的聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs）。该方法的核心在于利用硅胶柱色谱有效分离PS NPs与复杂的生物基质成分。研究人员将组织样本在二氯甲烷（DCM）中匀浆以提取并溶解PS NPs，随后进行碱消化以去除生物大分子。关键步骤在于使用经过预高温处理（550°C，4小时）的硅胶柱对提取物进行净化。通过优化洗脱条件，PS NPs主要存在于0-3 mL的洗脱馏分中，而超过99.9%的生物基质成分被有效去除或延迟洗脱。该方法结合Py-GC/MS进行最终定性和定量分析，以内标法（氘代聚苯乙烯，d-PS）进行校准，显著提高了分析的准确性和重现性。

研究团队应用了几项关键技术来确保方法的可靠性。首先是样品前处理中的硅胶柱色谱净化技术，这是实现PS NPs与生物基质高效分离的核心步骤。其次是热裂解-气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）分析技术，用于对分离纯化后的PS NPs进行定性和精确定量，通过监测苯乙烯三聚体等特征裂解产物来实现。再者是严格的全流程空白控制技术，所有玻璃器皿、硅胶等实验材料均经过高温预处理，最大限度降低了背景污染。最后，方法学验证环节系统评估了方法的检测限（LOD）、定量限（LOQ）和加标回收率，确保了分析数据的可靠性。研究所用的动物样本来源于经口暴露50纳米PS NPs的日本鹌鹑的肝脏组织。

3.1. 方法验证

研究人员首先对建立的分析方法进行了系统验证。通过硅胶柱色谱分馏实验证实，PS标准品在二氯甲烷洗脱时主要集中在0-3 mL的馏分中回收，而肝脏组织的提取物中的生物基质成分绝大部分（超过99.9%）被保留在柱上或在其后馏分中洗脱，实现了PS NPs与基质的有效分离。总离子流图对比显示，经过硅胶柱净化后的PS馏分色谱图干净，干扰峰显著减少，证明了该净化步骤对于获得准确分析结果和保护色谱柱至关重要。

方法学参数评估显示，该方法的仪器检测限（IDL）和方法检测限（MDL）分别为0.49 ng和3.0 ng，方法定量限（MQL）为7.8 ng。以典型的0.3克样本湿重计算，对应的组织中的方法检测限和定量限分别为9.8 ng g^-1和26.0 ng g^-1，灵敏度接近环境相关水平。加标回收率实验结果表明，在0.3 μg g^-1和1.7 μg g^-1两个浓度水平下，PS的回收率分别为102.0±0.8%和91.2±1.9%，内标回收率稳定在101.6±0.9%，说明方法准确度高，基质效应可控。

3.2. 方法在暴露动物组织样本中的应用

将建立的方法应用于实际暴露实验的鹌鹑肝脏样本分析，结果显示所有暴露于PS NPs的鹌鹑肝脏中均检测到PS，而对照组的值与方法检测限和程序空白值相当，表明本底污染控制有效。暴露后第1天，暴露组肝脏中PS NPs的平均浓度为33.8±1.5 ng g^-1（湿重），显著高于对照组（13.2±0.3 ng g^-1）。暴露后第3天，暴露组浓度（34.1±5.2 ng g^-1）依然显著高于对照组（14.5±2.0 ng g^-1）。这一结果证实了该方法能够有效区分暴露水平，适用于生物暴露评估研究。

该研究成功开发并验证了一种基于硅胶色谱净化的Py-GC/MS方法，用于准确定量动物组织中的聚苯乙烯纳米塑料。该方法通过高效的基质去除和严格的污染控制，解决了生物样本中NPs定量分析的关键难题，表现出高回收率、良好的灵敏度以及实际应用的可靠性。研究表明，NPs在溶液中被均一处理，并基于其化学性质与生物基质分离，这使得定量分析更加准确和可重现。虽然当前方法主要针对PS NPs，且未包含基于尺寸的颗粒分馏，但它为未来开发针对不同聚合物、不同形态NPs的定量方法奠定了基础。随着在不同颗粒、组织及暴露水平下的进一步验证，该方法有望推动NPs分析标准化进程，为准确评估NPs的生物累积性、毒代动力学及其对生态系统和人类健康的潜在风险提供关键的技术支持。