含PET的乳糖片剂作为微塑料参考物质用于方法验证与质量控制

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Lactose Tablets spiked with PET as suitable Microplastics Reference Material to support validation studies and quality control

　　

含聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）的乳糖片剂作为适用于支持验证研究和质量控制的微塑料（microplastic, MP）参考物质（reference material, RM）
•微塑料（MP）颗粒可被压片包埋于水溶性基质中作为载体。
•含PET的片剂作为参考物质适用于方法验证。
•乳糖作为载体基质无毒，适用于毒理学研究。
•含PET的片剂在质量和数量方面具有可接受的标准偏差。

近年来，微塑料（microplastic, MP；粒径1–1000 μm的塑料颗粒）的环境与健康风险及其全球广泛存在，促使欧盟基于预防原则采取监管行动；饮用水指令和城市污水处理指令已提出水体MP监测要求。准确、可比的MP测量依赖经过验证、协调和标准化的采样、制样和检测技术，国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）发布的ISO 16094-2:2025和ISO/FDIS 16094-3分别涉及振动光谱数量法和热分析质量法。上述方法的实施与协调需要参考物质（reference material, RM；足够均匀稳定并适用于测量过程特定用途的材料）。MP参考物质应反映真实颗粒特征，尤其<50 μm颗粒更难识别和定量且环境与生物相关性突出；环境MP常由塑料风化破碎形成，具有不规则锐边和氧化表面，表面老化对数量法影响更明显而对微米级颗粒质量法影响较小；参考物质还需覆盖目标基质相关浓度。现有MP参考物质多为可单独称量的碎片，或盐基质、片剂和胶囊形式，但许多材料粒径为50–300 μm，低质量（μg级）称量和定量转移困难。片剂形式可将MP嵌入固体基质以解决上述问题。该研究旨在制备并表征片剂型MP参考物质，支持方法性能评价、质量控制（quality control, QC）和实验室间协调，促进MP测量标准化。PET因食品接触、饮料包装和饮用水指令监测相关性而被选为主要聚合物；低密度聚乙烯（low-density polyethylene, LDPE）因包装广泛使用和环境常见也被研究。研究设置三个浓度：Batch 1为环境样浓度，面向质量法热分析；Batch 2为食品相关浓度，兼顾质量和数量法；Batch 3为接近数量法光谱报告限的极低质量；设计遵循适用性（fit-for-purpose）和质量源于设计（Quality-by-Design, QbD）原则。其意义在于为不同MP质量和颗粒数水平提供可比较测试材料，识别方法依赖差异并支持分析程序协调。

关键技术方法（≤250字）：研究人员以直接压片乳糖（FlowLac90）为载体、聚乙二醇6000（polyethylene glycol, PEG 6000）为润滑剂，与PET或LDPE颗粒混合并逐级稀释后压片；理论PET质量Batch 1为400 μg、Batch 2为18.5 μg、Batch 3为0.2 μg、空白为0 μg，Batch 1和Batch 2各压1000片，Batch 3压200片并另制备空白片。材料来源：PET粉由BAM提供，起始瓶级PET粒料由PlasticsEurope提供；LDPE由Schaetti AG提供；乳糖由MEGGLE GmbH & Co. KG提供。表征采用激光衍射（laser diffraction, LD）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）测粒径与形貌，傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）确认聚合物；热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）按ISO进行均质和稳定控制；微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）、微拉曼光谱（μ-Raman）、热解-气相色谱-质谱（pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry, Py-GC/MS）和热提取脱附-气相色谱-质谱（thermal extraction desorption-GC/MS, TED-GC/MS）互补分析；片剂溶解后经5 μm硅滤器/滤坩埚过滤，并执行质量保证/质量控制和空白控制。

2.7.1 PET颗粒表征：ATR-FTIR确认PET聚合物类型；SEM显示原始PET颗粒不规则、具锐边且粒径范围较宽；LD显示宽分布，D₁₀=19.1±0.2 μm、D₅₀=42.4±0.2 μm、D₉₀=72.9±0.3 μm，93.5%颗粒位于20–100 μm，其中20–50 μm占49.1%、50–100 μm占44.4%。结论是所用PET颗粒适合作为参考物质候选原料。

2.7.2 均质性和稳定性控制研究：TGA显示乳糖、PEG和PET的DTG峰分别为301.4°C、361.7°C和430.9°C；过滤去除乳糖和PEG后，330–480°C质量损失用于代表PET。Batch 1的PET质量为398.0±47.3 μg，Batch 2为19.6±1.8 μg，RSD约8–12%，与理论值吻合。Batch 1在6个月、Batch 2在12个月后经TGA、Py-GC/MS和TED-GC/MS未观察到显著质量变化，说明片剂在该储存期内稳定。

2.7.3 基于质量的热分析热分析方法：Batch 1的44次测量均值为422.3 μg，SD为88.7 μg，RSD为21.0%，与TGA参考值一致；直接Py-GC/MS和TED-GC/MS均值分别为448.9 μg和431.3 μg，略高于TGA参考值，TED-GC/MS的SD较低；衍生化Py-GC/MS略低估。Batch 2三种方法平均为17.1±5.7 μg（RSD 33.1%），与TGA参考值19.8±1.8 μg相符，但TED-GC/MS变异较大。Batch 3由一个实验室测得0.27±0.05 μg（RSD 19.7%）。结论是质量法总体与理论值和TGA参考值相符，但低质量范围变异较大。

2.7.4 光谱方法：Batch 1因颗粒过载未用光谱法分析；Batch 2由三个实验室用μ-Raman分析，20–500 μm平均颗粒数为1764±155（RSD 8.8%），与LD总体趋势相似，但两者测量原理不同，直接定量比较受限。Batch 2的μ-Raman总颗粒数为1759（n=10，5–500 μm），Batch 3为151，粒径分布相似；>50 μm时μ-Raman和μ-FTIR结果相似，但20–50 μm范围μ-FTIR较μ-Raman少检出56%（Batch 2）和55%（Batch 3），与μ-FTIR对<20 μm颗粒检测受限及μ-Raman空间分辨率较高有关。μ-Raman在20–50 μm的RSD最低，μ-FTIR整体RSD更高。结论是片剂可用于实验室间颗粒数和粒径分布比较，并揭示20–50 μm范围的方法差异。

2.7.5 基质污染：空白片经热分析未检出热塑性聚合物，说明其质量低于检出限；光谱法检出PE、PP、PS、PET、PA和PTFE颗粒。μ-Raman分析的8片空白中6片含1–51个聚合物颗粒，PET见于5片（1–6个）；μ-FTIR分析的7片空白均含2–36个颗粒，PET见于5片（1–16个）。相对于Batch 2总颗粒数1759，污染颗粒比例很低（>3%），但PET颗粒出现在空白中提示低颗粒数材料需严格污染控制并谨慎解释接近背景的结果。

2.7.6 不同聚合物类型和更小粒径片剂的展望：研究人员将冷冻研磨PP和商品化LDPE压入Batch 2型片剂；PP结果已由Putzu等发表。LDPE的D₅₀为18.0±0.7 μm，TGA均质控制为17.8±1.6 μg，与理论值17.9 μg吻合；μ-Raman两个实验室总颗粒数分别为6205±469和5460±1069，μ-FTIR为1589±206，明显较低，与LDPE平均粒径小、部分低于μ-FTIR报告限有关；实验室间在小粒径类别存在差异。结论是片剂法有望扩展至其他聚合物和更小颗粒，但<50 μm颗粒的可靠检测、识别和定量仍需方法开发与标准化。

讨论部分总结：片剂制备法可在不同聚合物类型、质量和颗粒数水平制备候选参考物质，片间一致性满足预期方法评价用途；PET质量和颗粒数应作为不同被测量，因为不同分析方法表现不同。TGA质量结果与理论值一致；Py-GC/MS和TED-GC/MS给出可比质量值但变异更大，低质量范围尤需改进。光谱法支持实验室间比较，并突出20–50 μm范围μ-Raman与μ-FTIR的检测差异；基质空白结果强调全流程污染控制，尤其低颗粒数材料。LDPE初步结果提示片剂法可扩展，但更广泛适用性仍需进一步研究。

研究结论翻译：片剂制备法可用于制备具有不同聚合物类型、聚合物质量和颗粒数水平的候选参考物质，并在预期MP方法评价中提供足够的片间一致性。结果表明，PET质量和/或颗粒数应视为不同被测量，因为所研究的分析方法对其测定表现出不同性能特征。对于“质量”参数，TGA测定的PET含量与理论值一致；相比之下，Py-GC/MS和TED-GC/MS（作为信息值报告）通常给出可比质量值但变异性更大，尤其在低PET质量范围（Batch 2），表明稳健的GC/MS基微塑料质量测定方法仍需进一步工作。尽管存在这些变异，两批的测定质量和SD仍处于可比范围，并与理论和TGA参考值相符。对于颗粒数被测量，PET加标片剂使μ-Raman和μ-FTIR的实验室间比较成为可能，显示可比的颗粒数和粒径分布；同时，与μ-FTIR的比较突出20–50 μm范围颗粒检测的显著差异，这与两种技术检测能力不同一致，并强调在评价方法性能和可比性时纳入小粒径的重要性。基质空白中聚合物颗粒的检测进一步强调整个样品制备和分析流程严格污染控制的重要性，尤其对于含低颗粒数的材料。总体而言，所开发的PET加标片剂为评价不同PET质量和颗粒数水平下的方法性能提供了有用测试材料，能够识别方法依赖差异并支持分析程序的比较和协调。LDPE初步结果表明，片剂制备法可扩展至其他聚合物，但仍需进一步研究以评价其更广泛适用性。