《Talanta》：Complementary analysis of pristine, UV-aged and extracted microplastics using single particle ICP-MS and OF2i-Raman spectroscopy
编辑推荐：
微塑料检测新技术研究：SP ICP-MS与OF2i-Raman联用分析发现碳质量损失与聚合物特异性分子变化互补。SP ICP-MS可监测尺寸和数量变化但选择性受限，OF2i-Raman在复杂基质中实现聚合物鉴别。两者结合突破传统方法局限，为微塑料降解研究提供新工具。
曼努埃尔·坎杜西（Manuel Candussi）| 克里斯蒂安·诺伊珀（Christian Neuper）| 拉克尔·冈萨雷斯·德·维加（Raquel Gonzalez de Vega）| 马蒂亚斯·埃林克曼（Matthias Elinkmann）| 哈拉尔德·菲茨克（Harald Fitzek）| 克里斯蒂安·希尔（Christian Hill）| 帕特里齐亚·玛丽·施密特（Patrizia Marie Schmidt）| 斯文雅·赛弗特（Svenja Seiffert）| 大卫·克拉塞斯（David Clases）
纳米微实验室（NanoMicroLab），格拉茨大学化学系，Universit?tsplatz 1/I，8010格拉茨，奥地利
摘要
由于微塑料的普遍存在及其对生态系统和人类健康的潜在风险，它们日益受到关注。由于其微小的尺寸、化学多样性以及与天然胶体的共存，对其进行全面分析变得困难。在这里，我们评估了两种新兴的单颗粒技术：单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP ICP-MS）和光流力诱导结合拉曼光谱（OF2i-Raman），以评估它们在单微塑料分辨率下提供互补信息的能力。SP ICP-MS可以测定每个颗粒的碳质量，并能够检测到尺寸和丰度的降解趋势，而OF2i-Raman则通过光学捕获和非弹性光散射来识别聚合物类型和分子变化。
OF2i-Raman是微塑料研究领域的一种新方法，因此首先通过分析聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚酰胺-6（PA-6）的混合悬浮液，以及土壤提取物中的PA-6，来评估其在复杂基质条件下的选择性。随后，这两种技术被并行应用于研究PA-6和低密度聚乙烯（LDPE）的紫外线诱导降解，这两种聚合物在工业上具有重要意义。SP ICP-MS检测到了碳的纵向损失以及颗粒尺寸和数量的相对变化，而OF2i-Raman揭示了聚合物特定的结构变化，并在长时间照射后仍能检测到光谱特征。
SP ICP-MS和OF2i-Raman将元素质量与分子身份联系起来，为微塑料的降解提供了互补的见解。虽然由于选择性有限和尺寸范围受限，SP ICP-MS主要应用于受控的实验室实验，但OF2i-Raman将分析范围扩展到了复杂的基质和混合聚合物系统。
引言
由于塑料的多功能性、稳定性、低重量和成本效益高的生产方式，它们已成为现代社会不可或缺的材料。预计到2025年，塑料的产量将达到5亿至6亿吨[1]，[2]。尽管塑料具有这些优势，但它们对环境构成了严重威胁，据估计每年有950万吨塑料进入海洋，490万吨进入土壤[3]，[4]。特别令人担忧的是小于5毫米的碎片，即所谓的微塑料和纳米塑料。这些颗粒的尺寸各不相同，可以分为大微塑料（MPs）（5毫米–1毫米）、中小微塑料（MPs）（1毫米–1微米）和纳米塑料（< 1微米）[5]，[6]，[7]。虽然部分中小微塑料是专门为某些工业和商业应用生产的，但大部分中小微塑料是由环境中管理不善的废物分解产生的，被认为是次级微塑料[8]。这些微塑料进一步分解成纳米塑料的过程包括太阳辐射、机械应力、水解、热降解和氧化作用，这些过程改变了它们的摩尔质量、颜色、表面形态、尺寸和密度，从而对其化学和物理性质产生了根本性影响[9]，[10]。
最近关于中小微塑料的研究强调了它们与环境和生物系统相互作用的重大问题，并指出它们对生态系统和健康的严重威胁[11]。由于中小微塑料的全球普遍存在及其微小的尺寸，它们具有很高的移动性和暴露性，多项研究在商业食品、瓶装饮用水以及海洋和陆地生物中都发现了它们的存在[12]，[13]，[14]，[15]。尽管关于人类健康的影响的研究仍在进行中，但有越来越多的证据表明它们具有有害影响。研究表明，中小微塑料可引起炎症[16]、细胞损伤[17]和人类细胞的遗传毒性[18]。中小微塑料的负面影响与其物理和化学性质有关，包括尺寸、形状、浓度、聚合物类型及其添加剂，以及它们的降解状态[19]。
欧盟已经启动了全面的策略来减少中小微塑料污染，目标是在2030年前将其排放量减少30%，这是欧洲绿色协议的一部分[20]。尽管人们的意识不断提高，但主要的瓶颈在于现有的分析技术在复杂环境中追踪和表征中小微塑料的能力不足。一个关键问题是中小微塑料的难以检测性，这源于它们的微小尺寸以及自然颗粒和胶体的高背景噪声。因此，首次发现中小微塑料就像在干草堆中找针一样困难，而追踪和后续表征中小微塑料的方法需要高度的灵敏度和选择性。
过去，包括光学显微镜和电子显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼显微镜以及热解气相色谱-质谱（Py-GC-MS）在内的分析技术能够提供初步的见解，但这些方法受到方法学限制[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]：光学和振动光谱技术受到衍射极限的限制[24]，并且通常需要特定的样品制备（例如干燥），这可能会引入伪影；而电子显微镜虽然提供高空间分辨率，但通常缺乏化学特异性，除非使用额外的光谱耦合[27]。另一方面，像Py-GC-MS这样的质谱技术无法提供颗粒特定的尺寸信息和降解状态[25]，[26]。尽管这些技术通常可以提供有关某些颗粒性质的见解，但它们无法全面而连贯地理解单个中小微塑料[28]。
近年来，出现了一些新的单颗粒技术，提供了针对中小微塑料复杂性的特定检测方法。其中，单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP ICP-MS）尤为值得注意，它之前已经在快速计数、尺寸测量和无机纳米材料的成分分析方面树立了标杆。SP ICP-MS通过将颗粒单独引入高温氩等离子体中，使颗粒分解并使产生的原子离子化，从而实现对每个颗粒的元素质量进行测定[29]，[30]。SP ICP-MS每分钟可以分析数百个颗粒，并提供颗粒数量、尺寸分布的信息；如果同时分析适当的标准品，还可以提供内部和外部混合状态的信息[31]，[32]。对于中小微塑料的分析，研究使用了12C或13C进行检测[31]，[32]，[33]，在超纯水中实现了低至0.62微米的尺寸检测限（sDLs）[32]。然而，当中小微塑料不是唯一的含碳颗粒物种，或者聚合物种类未知时，SP ICP-MS存在缺点和局限性。例如，SP ICP-MS无法区分聚苯乙烯和聚丙烯，也无法将它们与其他含碳颗粒（如黑碳）区分开来。虽然SP ICP-MS解决了一些问题，但它仍需要高选择性的其他技术来识别聚合物种类并提供进一步的补充信息。
一种具有高度互补性的新技术是光流力诱导-拉曼光谱（OF2i-Raman）。OF2i使用二维光学陷阱和弱聚焦的涡旋光束（具有角动量[34]）。基于光学镊子的概念[35]，它能够同时捕获多个颗粒，并利用米氏理论[36]估计颗粒的尺寸和数量浓度。最近集成的SP Raman模块允许观察涡旋光束内的非弹性散射，从而能够识别颗粒的身份[37]。因此，OF2i-Raman不仅能够区分中小微塑料与其他有机或无机含碳颗粒，还能在单颗粒分辨率下实现聚合物的选择性。我们最近展示了将OF2i-Raman与SP ICP-MS结合使用，构建了一个更全面的中小微塑料检测和表征平台[28]。这种组合结合了两种技术的优势，使得质谱SP数据与光学SP技术能够相互关联和补充。
本研究探讨了SP ICP-MS和OF2i-Raman在中小微塑料（MPs）表征中的互补应用。评估了SP ICP-MS的性能参数，以确定基于碳的颗粒分析的检测限和重复性。同时，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚酰胺-6（PA-6）的混合悬浮液，以及添加到土壤提取物中的PA-6，对其在复杂基质中的选择性进行了基准测试。随后，在受控实验室条件下应用这两种技术研究了PA-6的紫外线诱导降解，并对其各自的优点和局限性进行了批判性讨论。除了方法学评估之外，这项工作还扩展了之前关于OF2i-Raman和SP ICP-MS结合的概念验证研究，系统地、并行地应用于原始状态、紫外线老化和土壤提取的中小微塑料。与之前的可行性研究相比，本研究在现实的土壤提取物基质中评估了OF2i-Raman的聚合物区分能力，将其选择性进行了验证，并将碳质量的降解变化（SP ICP-MS）与聚合物特定的拉曼特征（OF2i-Raman）进行了关联。这种综合方法确立了这两种技术的互补分析价值，并突显了它们在解决中小微塑料识别和降解分析关键挑战方面的联合潜力。
化学品和消耗品
所有分析和样品制备均使用来自Milli-Q System（Merck，德国）的水净化系统得到的纯净水。聚苯乙烯（PS）基微粒从Sigma Aldrich购买（固体含量10%；密度=1.05 g·cm-3，交联度2%），粒径为5微米（±0.1微米）；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基微粒从Polysciences购买（固体含量5%；密度=1.19 g·cm-3），粒径在1至10微米之间。十二烷基硫酸钠（SDS）也从相应来源采购。
SP ICP-MS方法开发
首先使用SP ICP-MS检测紫外线老化的PA-6和LDPE微粒，并监测可检测颗粒的尺寸和数量的相对变化。测试了多种CRC（碰撞/反应池）气体模式，以优化SP ICP-MS中碳检测的性能参数。H2以2 mL·min-1的流速使用时，PS标准品的最低尺寸检测限约为800纳米，这与Gonzalez de Vega等人的研究结果一致[32]。然而，与之前的报告类似，上限尺寸检测限仍然存在...
结论
对每个颗粒的碳质量和散射光的分析高度互补，能够在单颗粒分辨率下提供关于尺寸和聚合物类型的见解。SP ICP-MS有助于监测选定聚合物在受控紫外线老化实验中的质量、尺寸和数量变化。然而，SP ICP-MS的分析受到可检测尺寸窗口狭窄和尺寸依赖性传输效率的限制。
CRediT作者贡献声明
斯文雅·赛弗特（Svenja Seiffert）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念化。大卫·克拉塞斯（David Clases）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念化。曼努埃尔·坎杜西（Manuel Candussi）：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学、调查、数据分析、数据管理。拉克尔·冈萨雷斯·德·维加（Raquel Gonzalez de Vega）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法学。
利益冲突声明
P.M.S.和S.S.是BASF SE的雇员，该公司生产和销售包括聚酰胺在内的聚合物。C.H.和C.N.是Brave Analytics GmbH的雇员，该公司是OF2i-Raman的制造商。
致谢
D.C.获得了欧洲研究委员会（ERC）在欧盟“Horizon Europe”研究和创新计划下的资助（授权协议编号：101165171，项目缩写：NanoArchive）。作者还感谢格拉茨大学的财政支持。该研究还得到了FFG项目“plastic particles”（项目编号：58788494，资助人：C.H.、D.C.）的支持。
