《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Recent progress and technological advancements for detection of micro/nano-plastics in the environment
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微纳米塑料（MNPs）因尺寸小、分布广及检测复杂成为环境污染物研究热点，综述其成像、光谱及AI集成检测技术，分析胶体特性对传感器性能的影响，探讨远程监测与标准化流程的必要性，提出未来需提升检测灵敏度并整合多模态方法。
Aman Kumar|Monika Nehra|Nitin Kumar Singhal|Sandeep Kumar
印度昌迪加尔旁遮普工程学院（被认定为大学）物理系，邮编160012
摘要
微塑料和纳米塑料（MNPs）是一种无处不在且分析上极具挑战性的污染物，它们存在于水生、陆地、大气和食品系统中。由于MNPs的微小尺寸及其在复杂混合物中的广泛存在，其检测工作尤为困难。本文综述了目前最先进的MNPs检测方法，包括基于成像的技术、光谱技术以及其他新兴方法，如电化学传感平台和人工智能（AI）的集成。文章还批判性地讨论了MNPs的胶体性质对传感器性能的影响。胶体与界面科学有助于揭示MNPs的物理化学行为，这可能有助于传感器设计。AI技术与不同检测方法的结合能够从噪声较大的光谱和成像数据中提取潜在特征，从而提高现有检测技术的效率和可扩展性。此外，本文还评估了远程监测平台（包括高光谱成像）的能力。这些传统和先进方法在实际应用中的性能也得到了评估。选择特定方法取决于从样本中获取的信息类型。不同传感模式的集成有助于实现可扩展的、实时的MNPs监测。最后，文章探讨了提高MNPs检测方法分析灵敏度的未来发展方向，以及如何协调这些方法以应对全球MNPs污染问题。
引言
自20世纪初商业化以来，塑料彻底改变了现代生活。这归功于它们的耐用性、应用多样性和成本效益。然而，塑料的化学惰性和不可生物降解性也使其成为最持久的环境污染物之一。不当的处理方式和过度使用导致塑料在陆地和水生系统中大量积累。这些材料经过数十年后降解为微塑料（MPs，<5毫米）和纳米塑料（nPs，<1微米）[1,2]。许多人为活动也促进了MNPs向环境的释放，例如轮胎和合成纺织品[17]。这些微小且具有浮力的颗粒通过风和水流在全球范围内扩散，甚至侵入偏远生态系统。它们在沉积物、食物链乃至人体中的积累引起了人们对潜在生态和健康影响的担忧。从物理性质来看，MNPs具有不同的尺寸、形状、密度和表面形态。它们来源于多种材料和不同的降解条件，通常以纤维、碎片、珠状或薄膜的形式存在[18]。纤维和碎片在水生环境中占主导地位，因为它们来源于塑料碎片和纺织品的降解。尺寸较小的MNPs（尤其是小于2毫米的）更具移动性，因此容易被水生和土壤生物摄取，从而导致生物累积[19]。由于长时间暴露于紫外线辐射、热量、风或物理干扰等风化因素，其表面结构出现粗糙、裂纹和孔隙[20]。这种表面粗糙度增强了MNPs吸附共存污染物的能力，如持久性有机污染物（POPs）和重金属[21]。合成聚合物的密度也影响其在环境中的分布。例如，较轻的聚合物如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）可能漂浮在水面上或被风吹走；而较重的塑料如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）则会沉入沉积物中。
从化学角度来看，MNPs是由母体塑料、添加剂以及从环境中吸附的污染物组成的复杂混合物。残留的单体、增塑剂、阻燃剂、稳定剂和颜料也可能存在于MNPs中。MNPs还能从环境中吸附有毒化合物，如重金属（Pb、Cd、Cr）和卤化物[22]。当MNPs被生物体摄取或经历物理化学条件变化时，这些有毒物质可能会释放出来，从而加剧其毒性威胁。它们还可以作为化学载体，在生态系统中传输污染物。
MNPs的形成过程相当复杂，既受母体塑料的分子结构影响，也受过程中外部因素的影响。大约70%的塑料材料是半结晶的。因此，在塑料降解过程中，链断裂和分子重排会导致这些非晶部分破碎成更小的颗粒[14]。相比之下，非晶塑料的破碎主要是由随机键合链断裂引起的，随后会去除顽固的MNPs。此外，材料科学的研究表明，摩擦负荷和/或氧化也会导致塑料的破碎[23]。MNPs还具有通过食物网迁移的能力，从而增加环境和生理系统的压力。
越来越多的研究记录了在饮用水、鱼类产品、土壤甚至空气中检测到MNPs（<10μm）的情况[24,25]。由于这些微粒的尺寸，它们可以穿透生物膜进入器官和组织，并可能进入循环系统。毒理学研究表明，接触这些塑料微粒可能导致氧化应激、炎症反应和代谢紊乱[26]。尽管实验室已经开发出多种分析方法来检测和量化MNPs，但结果的重复性仍然很困难。在实际应用中，由于样本的复杂性，准确检测和量化MNPs极具挑战性。因此，制定减少塑料风险的战略和政策至关重要。
随着时间的推移，用于检测大气、水和陆地环境中不同大小、成分和形状的MNPs的分析方法有了显著改进[27]。传统的实验室技术，如质谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和拉曼光谱，已被广泛用于聚合物的鉴定[28]。电子显微镜结合荧光染色（如尼罗红）可以增强我们的视觉理解[29]。人工智能（AI）和机器学习（ML）与分析方法的结合大大提高了MNPs的检测能力。尽管如此，这些进步仍有助于实现纳米尺度上的塑料颗粒实时检测。本文概述了MNPs在不同环境介质中的存在情况，讨论了不同的分析技术（包括基于成像和光谱的方法）以及最新的技术进展。界面科学的研究有助于理解MNPs的行为，并开发出高度特定的检测策略。AI与不同检测技术的结合也有助于提高实时分析的效率。此外，本文还探讨了MNPs远程监测的进展。除了分析技术的显著进步外，建立标准化的工作流程对于数据可比性和识别MNPs污染热点也非常重要。
章节摘录
各种介质中的MNPs
塑料产品的无节制使用和丢弃导致所有环境区域都受到MNPs的污染。人们可能通过受污染的食物或水摄入MNPs，或通过受污染的空气吸入它们。这些颗粒在人体内积累后，可能会引起炎症和氧化应激等健康问题[30]。新兴研究还表明，MNPs可能对免疫功能、肠道健康甚至长期健康（如癌症）产生不利影响[31]。因此，
MNPs的检测
为了了解MNPs在环境中的存在及其潜在健康风险，对其精确分析至关重要。本节探讨了用于检测和鉴定MNPs的基于成像、光谱和其他方法。
胶体性质对传感器设计的影响
除了聚合物的整体性质外，MNPs的检测能力还取决于其动态界面状态。MNPs在悬浮液中的胶体稳定性受吸引性范德华力和排斥性静电双层力平衡的控制。这些相互作用的重要性基于胶体理论，包括Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）模型及其扩展模型[182]。从胶体理论的角度来看，各种检测技术性能指标的评估
在环境介质中识别和量化MNPs非常重要。选择特定的检测方法取决于所需的信息类型，例如颗粒的识别及其尺寸分布、形状、降解速率和表面化学性质。某些技术（如质谱）可以提供关于聚合物类型的可靠信息。基于质量的分析方法成本较高且需要实验室条件。此外，结论与未来展望
MNPs代表了最复杂的新兴挑战之一，引起了科学界和公众的广泛关注。这些污染物已经渗透到每一个环境领域——水、土壤和空气，引发了对其广泛影响的担忧。可靠地检测和识别不同环境介质中的这些塑料颗粒至关重要。过去十年间，这些颗粒的检测和量化技术取得了显著进展。
CRediT作者贡献声明
Aman Kumar：方法论、研究、数据分析、数据整理、初稿撰写。Monika Nehra：方法论、研究、数据分析、审稿与编辑。Nitin Kumar Singhal：监督、资源协调、方法论、数据分析、审稿与编辑。Sandeep Kumar：验证、监督、资源管理、方法论、数据分析、概念构思、审稿与编辑。
致谢
Sandeep Kumar感谢印度政府的科学技术部提供的DST-PURSE资助（编号：SR/PURSE/2024/350，日期：2024年10月14日）。Aman Kumar感谢科学技术部提供的DST-INSPIRE奖学金（参考编号：-- -->DST/INSPIRE/03/2024/003438-- -->）。
