《Talanta》：Photoinduced Weathering of Plastics and Implications for Spectral Inclusion into Matching Database for Laser Direct Infrared Spectroscopy Identification
编辑推荐：
•九种微塑料经过光化学风化，相当于3.4年、6.7年和13.5年的光照时间。•通过FTIR和DSC对风化塑料进行分析，发现其变化因聚合物类型不同而呈现不均匀特征。•将风化塑料的透反射光谱数据上传至LDIR匹配数据库后，污水处理厂进水和出水中聚合物检测结果总共增加了9.6%至1
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九种微塑料经过光化学风化，相当于3.4年、6.7年和13.5年的光照时间。
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通过FTIR和DSC对风化塑料进行分析，发现其变化因聚合物类型不同而呈现不均匀特征。
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将风化塑料的透反射光谱数据上传至LDIR匹配数据库后，污水处理厂进水和出水中聚合物检测结果总共增加了9.6%至10.2%。
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风化检测结果的增加在各聚合物类型中并不均匀，表明聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA）从风化光谱的纳入中受益最大。
引言
在当今社会，塑料的使用已渗透到现代生活的方方面面，一个没有塑料的世界目前难以想象。正是这些使塑料成为长期使用的理想材料特性，也使其成为持久的环境污染物。据估计，每年有1000万吨塑料污染被排放到海洋中，此前预测到2025年，塑料废物的总量将超过1.5亿吨[1]。随着塑料使用量持续激增，环境中的塑料污染量预计将继续增加[2]。
随着塑料污染日益严重，微塑料——即粒径在1 μm至5,000 μm之间的塑料颗粒[3]——对环境系统的影响引起了广泛关注。环境微塑料污染具有多样性，这是由于塑料树脂类型丰富、粒径各异、颗粒形状多样（纤维、碎片、球体等），以及各种添加剂（包括着色剂和增塑剂）的存在所导致的4, 5, 6。环境中释放的微塑料有两种类型。一次微塑料是指制造过程中使用的微塑料珠，用于消费品中的去角质或其他用途7, 8。然而，本文主要关注的是二次微塑料。二次微塑料的产生是由于大型塑料中聚合物键的氧化导致链断裂，从而释放出微塑料和纳米塑料颗粒8, 9。因此，聚合物物理和化学性质（如结晶度和脆性）因环境因素暴露而发生改变，从而加速了二次微塑料颗粒的释放10, 11, 12, 13。
微塑料尤其令人担忧，因为已有证据表明它们会显著生物富集，这引发了对它们可能对人类和野生动物健康造成负面影响的担忧14, 15, 16, 17。微塑料污染的追踪和潜在治理依赖于开发适用于复杂环境介质的高质量方法。已开发多种方法用于检测微塑料污染，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）18, 19, 20、拉曼光谱18, 21, 22、热解-气相色谱-质谱联用（GC-MS）23, 24, 25和激光直接红外光谱（LDIR）6, 26, 27等。这些方法依赖于使用包含已定义微塑料光谱的数据库来识别环境样本中的颗粒28, 29, 30。然而，这些数据库通常仅包含原始聚合物的光谱信息，而环境中的微塑料可能已受到氧化等环境因素的影响31, 32, 33, 34, 35，例如紫外辐射暴露或生物膜生长。这些环境转化过程对微塑料有多种影响，包括通过形成样本中原本不存在的官能团来改变化学结构32, 36, 37。由于这些化学结构的变化，包含原始聚合物光谱信息的数据库可能会导致结果偏差或不准确。因此，应将具有代表性的风化光谱信息纳入数据库。
本研究选取了九种常见聚合物进行研究，选择依据是它们在商用产品中的丰度及其化学多样性38, 39。所选聚合物包括高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲醛/聚氧化乙烯（POM）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龙-6（PA）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）和聚乳酸（PLA）（图1）。这些聚合物的化学多样性体现在：含有酯键的聚合物树脂（PET和PLA）、含有含氧官能团的树脂（PET、PLA、PC和POM）、含有含氮官能团的树脂（PA和PU）、仅含碳和氢的树脂（PS、HDPE和PP），以及含有芳香环的树脂（PET、PU、PS、PC）。预计聚合物的化学多样性将对辐照风化的化学效应产生重大影响，仅含碳和氢的树脂反应性相对较低（PS除外，因其含有芳基），而含杂原子的树脂对光辐照的反应性预计更高。通过FTIR研究紫外光诱导的风化效应中的化学变化，通过差示扫描量热法（DSC）研究结晶度的变化。随后将FTIR光谱手动添加至用于现场分析从污水处理厂（WWTPs）采集的环境样本的LDIR数据库。研究了纳入风化FTIR光谱的效果，并凸显了纳入风化数据对于识别的重要性。
章节摘要
材料
高密度聚乙烯（HDPE）、尼龙6（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯（PU）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲醛均聚物（POM）和聚乳酸（PLA）颗粒，直径在2-5毫米之间，购自Goodfellow公司（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）。使用Thermo Scientific GenPure UV/UF配合xCAD水过滤系统制备Super-Q 18（MΩ•cm）水。
塑料低温研磨
使用Spex 6775冷冻研磨机（配6781S研磨罐）制备微塑料。
风化剂量
实验中测试了三种辐照诱导的风化剂量，如表1所示。这些风化剂量经过调整，以制备具有不同程度风化量的微塑料样本，用于纳入LDIR数据库。UVC（LuzChem）腔室的周剂量最高，相当于南佛罗里达地区3.38年的日照[40]。宽光谱剂量通过SUNTEST XLS+测试完成，一个月提供了相当于6.70年日照的量。最后一个剂量点是
结论
九种常用聚合物经过不同程度的辐照剂量风化，以诱导化学和物理形变。FTIR表征结果大部分与文献中建立的这些聚合物的降解路径一致，并指出某些聚合物可能对特定波长的紫外辐照比对宽光谱辐照更为敏感。通过DSC测量获得的结晶度数据为了解微塑料形成的可能性提供了见解。
CRediT作者贡献声明
Souhail R. Al-Abed：写作–审阅与编辑，写作–初稿，监督，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。Dana Tran：方法论，形式分析，概念构思。Dilip Duvvuru：方法论，形式分析，概念构思。John Hadynski：写作–初稿，可视化，项目管理，方法论，形式分析，数据整理，概念构思。Dylan J. Shields：写作–审阅
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能被视为会影响本文所报告的工作。
数据声明
本研究中使用和/或分析的数据集可通过向通讯作者提出申请获得。
资金来源
本研究由美国国家环境保护局（EPA）应用科学与环境解决方案办公室（OASES）下属的环境解决方案部（ESD）资助并在其支持下开展，地点位于俄亥俄州辛辛那提。橡树岭科学与教育研究所（ORISE）也为本研究提供了资金支持。
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能被视为会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由美国国家环境保护局（EPA，俄亥俄州辛辛那提）应用科学与环境解决方案办公室（OASES）下属的环境解决方案部（ESD）资助并在其支持下开展。本工作已接受EPA行政和质量保证审查并获准发表。本文的发现与结论均为作者的观点，不一定代表EPA的立场。
John Hadynski|Dylan J. Shields|Dana Tran|Dilip Duvvuru|Souhail R. Al-Abed
