原子力显微镜测定陆地环境中微塑料颗粒粘附效率的新方法及其环境意义

《Microplastics》：Sticking Efficiency of Microplastic Particles in Terrestrial Environments Determined with Atomic Force Microscopy

本刊编辑推荐：本文创新性地应用原子力显微镜（AFM）技术直接测量微塑料（粒径2 μm）在玻璃/石英表面的粘附效率（α），通过对比传统柱实验与IFBL模型，发现AFM可检测低至10-20的α值，且75-95百分位力值更接近实际环境数据。研究揭示了AFM在微纳米尺度表征颗粒-基质相互作用的独特优势（高灵敏度、微升级溶液需求），为阐释陆地生态系统微塑料归趋提供了新视角。

　　

原子力显微镜测定微塑料颗粒在陆地环境中的粘附效率

1. 1.
   引言
   微塑料（0.1 μm–5 mm）在陆地环境中的归趋取决于其在地下水层、土壤或海洋沉积物中的沉积行为。粘附效率（α）作为关键参数，通常通过柱实验或相互作用力边界层（IFBL）模型估算，但二者存在数量级差异。原子力显微镜（AFM）通过直接测量微粒与地质材料表面的相互作用力，为弥补该差异提供了新途径。
2. 2.
   材料与方法
   研究采用2 μm聚苯乙烯微粒与玻璃/石英表面模型，在去离子水、软水（硬度40–48 mg/L CaCO₃）和硬水（硬度160–180 mg/L CaCO₃）中开展AFM力谱实验。通过测量力-距离曲线（500 nm振幅，1 Hz频率），结合Smoluchowski-Levich方程（公式1）与IFBL模型（公式2-5），计算α值。数值积分采用累积梯形法，分别使用固定50 nm积分距离的"一刀切"方法和基于能垒起点的个性化积分方法。
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   结果与讨论
   3.1. 固体基底表面表征
   盖玻片与显微镜载玻片虽化学组成相同，但粗糙度差异显著（R_q分别为0.3 nm和3.0 nm），载玻片表面存在深度约10 nm的凹坑结构。

3.2. AFM实验与力曲线特征

力曲线可划分为无相互作用区、排斥区、跳触区、接触点及粘附区。关键区域为探针接近表面时偏离基线的相互作用段，其形状受溶液离子强度影响显著。

3.3. 从力曲线到粘附效率的转化

个性化积分方法通过识别能垒起点（MATLAB 'findpeaks'函数）调整积分区间，有效消除了激光干涉引起的基线波动误差。与传统50 nm固定积分法相比，该方法使α值更符合DLVO理论预测，并呈现随离子强度/粗糙度增加而升高的预期趋势（如硬水中载玻片的α值达10^-6量级）。

3.4. 平均力曲线的假设评估

基线校正阶数（0-3阶）对α值影响巨大，波动范围达170个数量级。一阶基线拟合在保留数据特征的同时误差最小，而平均曲线基线校正会引入人为干扰，应避免使用。

3.5. 从平均曲线到个体曲线分析

单个力曲线计算的α值存在显著离散性（覆盖2-100个数量级），粗糙表面（载玻片）的变异程度远高于光滑表面（盖玻片）。研究表明，柱实验测得的α值更接近AFM数据集的75-95百分位值，暗示环境中仅需少数有利相互作用即可导致沉积。

3.6. 对陆地环境微塑料归趋的启示

AFM测得聚苯乙烯在石英表面的极低α值（10^-20以下）表明纯净石英基质（如沙丘、砂岩含水层）对2 μm微粒截留能力微弱，与野外示踪实验（Goeppert等）中微粒快速迁移200米的现象吻合。但实际环境中铁氧化物涂层、生物膜或有机质可能显著改变沉积行为，需通过AFM多变量测试进一步验证。

1. 4.
   结论
   AFM技术为微塑料沉积研究提供了高灵敏度、高通量的新范式。通过优化基线校正与数值积分方法，可精确量化不同环境变量（矿物类型、水化学、塑料种类）对粘附效率的影响。未来需拓展至聚乙烯等常见塑料及粘土、铁矿等环境相关基质的研究，以全面提升对微塑料陆地归趋的预测能力。