利用纳米机电系统傅里叶变换红外光谱技术（NEMS-FTIR）进行皮克克级纳米塑料分析

《ACS Nano》：Picogram-Level Nanoplastic Analysis with Nanoelectromechanical System Fourier Transform Infrared Spectroscopy: NEMS-FTIR

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我们提出了一种基于光热红外光谱的技术，用于纳米塑料的化学表征和定量分析。通过将纳米机电系统（NEMS）的高灵敏度与商用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪的宽光谱范围和普遍可用性相结合，NEMS-FTIR提供了一种无需低温冷却、时间高效的分析方法，适用于水样中纳米塑料的快速常规分析。研究了直径在54至262纳米之间的聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯纳米塑料，其检测限分别为10^1至353皮克，比热解-气相色谱-质谱法测得的值低一个数量级。通过NEMS-FTIR测得的吸光度可以利用衰减系数进一步转换为绝对样品质量，例如在聚苯乙烯中的应用。得益于NEMS-FTIR的宽光谱范围，即使在不同聚合物混合物中也能轻松识别出纳米塑料颗粒。通过检测茶叶冲泡过程中释放的纳米塑料，证明了NEMS-FTIR在实际样品分析中的潜力。在含有有机基质的情况下，也能在冲泡水中识别出以片段和较小寡聚物形式存在的聚酰胺浸出物。在高温和紫外线辐射下加速老化尼龙茶包后，进一步观察到聚酰胺的释放。

**引言**
纳米塑料因其高反应性、传输污染物的能力以及在生态系统中的广泛分布而成为普遍存在的问题，对环境和健康构成重大风险。(1?7) 纳米塑料能够深入组织，这凸显了对其常规化学表征和监测的必要性。(8) 由于纳米塑料的纳米级尺寸和低浓度，采样特别具有挑战性，这通常超出了许多分析技术的能力范围。(9?11) 尽管先进的技术可以实现微塑料的常规检测和鉴定，但纳米塑料至今仍是一个难题。

基于质谱的技术可用于纳米塑料的批量化学鉴定。(10?12) 热解-气相色谱-质谱（Py-GC/MS）已被广泛用于检测各种类型的纳米塑料，包括聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚氯乙烯（PVC）和尼龙-6/66，其检测限（LoDs）低至1纳克/升。(13?15) 多项研究报告称，在水样中分析聚合物时，Py-GC/MS的LoDs可达到低纳克级别。(16?18) 还结合了原子力显微镜-红外（AFM-IR）光谱和Py-GC/MS技术来检测和定量PE和PVC颗粒（20–1000纳米），PE的LoD为280纳克，PVC为1.54微克。(19) 其他方法，如热脱附-质子转移反应-质谱（TD-PTR-MS），也表现出显著的灵敏度，Materi?等人(20) 使用该方法检测到纯1微米PS颗粒的LoD为340皮克，从而能够在不进行预浓缩的情况下在1毫升的环境样品中检测到这些颗粒。尽管基于质谱的技术具有出色的能力，但其复杂性和成本限制了其在常规环境监测中的应用。(11,12,15,21,22)

FTIR光谱凭借其宽光谱范围能够识别未知样品的功能基团，是微塑料分析中最常用的方法之一。(23,24) 常用的衰减全反射（ATR-FTIR）光谱是一种接触式批量分析技术，其检测限约为10纳克。(25) FTIR显微镜方法，如μ-FTIR扫描显微镜和焦平面阵列（FPA-FTIR）显微镜，提供了非接触式的FTIR解决方案，使用低温冷却的MCT阵列时可实现低至450皮克的LoD。(26) 然而，衍射限制了对小于10微米颗粒的可靠分析。(23,24) 量子级联激光红外（QCL-IR）光谱提供了更高的灵敏度，尽管其光谱范围较窄且存在相干性伪影问题。(23) 尽管QCLs覆盖了聚合物鉴定所需的关键区域，并因光源强度高而提供更强的光谱信号，但通常噪声水平较高，且光谱覆盖范围有限，缺少如3000厘米^-1附近的C-H伸缩振动和700厘米^-1附近的低波数区域的信息。FTIR能够提供全范围光谱，便于进行化学计量分析和光谱反卷积，有助于在多组分样品中识别和定量纳米塑料。虽然这些方法也可以在较窄的光谱窗口内工作，但获取更广泛的光谱信息可以使区分更加容易和可靠。QCL-IR显微镜是FTIR显微镜的补充方法，因此有时会两者结合使用（例如Bruker公司的HYPERION II）。Primpke等人(27)证明基于QCL的显微镜可以检测小至1.4微米的聚合物颗粒。所有标准的IR光谱技术在测量颗粒样品时都会受到Mie散射相关光谱伪影的影响。(28)

基于QCL的光热扫描方法，如光学-光热IR（O-PTIR）光谱或AFM-IR显微镜，可以减少散射、衍射和相干性问题。O-PTIR已被证明可以有效成像亚微米级的单个PS纳米颗粒（29），并识别出来自硅胶奶嘴蒸汽消毒的含有聚硅氧烷和酰亚胺的塑料（>600纳米）。(30) 然而，O-PTIR对泵浦光束和探测光束之间的相对焦点对准以及轴向信号分布敏感，这可能在深度分辨测量中引入伪影。(31) AFM-IR可以实现更好的横向分辨率和单个纳米颗粒分析。(23,32) 但是，AFM-IR面临信噪比（SNR）低和成像速度慢的挑战。(23)

拉曼光谱的优势在于其在可见光波长下进行探测，受水干扰小，类似于O-PTIR，可以分析亚微米级的塑料颗粒，并具有足够的空间分辨率来分辨和化学鉴定单个颗粒。(33) 表面增强拉曼光谱（SERS）已成为一种有前景的技术。Zhou等人(34)和Hu等人(35)报告使用传统SERS基底时，PS颗粒的LoD低至5微克/毫升。高光谱刺激拉曼散射（SRS）显微镜已被证明是纳米塑料化学成像的强大工具，能够识别和分类小至130纳米的颗粒。(36) 然而，SRS存在光谱伪影和依赖精心设计的基底的问题，限制了其多功能性。(11,37) 尽管SRS显微镜具有快速检测和高灵敏度的优点，但它依赖于复杂且昂贵的仪器。(38) 表1总结了最常用的纳米塑料鉴定分析技术的优点和缺点。

**表1. 不同纳米塑料鉴定分析技术的比较：**
| 技术 | 优点 | 缺点 | 参考文献 |
|-------------|-----------------------------------------|-----------------------------------------|-----------------------------------------|
| 化学成像技术 | 广光谱范围 | 衍射限制；低于10微米颗粒不可靠 | 450皮克LoD（使用冷却MCT阵列） | 高仪器成本 |
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| QCL-IR显微镜 | 高信噪比 | 光谱范围窄 | 可检测小至1.4微米的颗粒 | 相干性伪影 | 高仪器成本 |
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| O-PTIR | 避免Mie/衍射伪影 | 光谱范围窄 | 高信噪比 | 长采集时间 |
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| AFM-IR | 高空间分辨率（约20纳米） | 光谱范围窄 | 对某些聚合物灵敏度低 | |
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| 拉曼显微镜 | 高空间分辨率 | 荧光干扰 | 长采集时间 | |
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| SERS显微镜 | 非常高的灵敏度 | 需要工程化基底 | 可检测小至50纳米的颗粒 | |
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| Py-GC/MS | 能够检测聚合物和塑料添加剂 | 破坏性技术 | 1–10纳克LoDs | 无标准化协议 |
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| TD-PTR-MS | 对小样品尺寸高灵敏度 | 破坏性技术 | 复杂的数据分析 | |
| | | | | |
| ATR-FTIR | 广泛可用且易于使用 | 与样品有物理接触 | 约10纳克LoD | 跨污染风险 |
| | | | | |
| NEMS-FTIR | 结合了商用FTIR光谱仪的宽光谱覆盖范围和高灵敏度的纳米机械光热检测 | 无需低温冷却 | | |

**NEMS-FTIR技术**
近年来引入了一种基于光热效应的分析技术——纳米机电系统红外光谱（NEMS-IR）。它使用NEMS谐振器或芯片作为关键组件。(42,43) NEMS芯片同时充当样品载体和探测器。NEMS芯片通常由预应力几纳米厚的氮化硅（SiN）膜制成，具有出色的耐用性，支持多种采样技术，包括直接气溶胶收集(42,43,45)和滴落铸造。(44) 当样品沉积在NEMS芯片表面并吸收红外光时，会发生局部加热，导致热膨胀和拉伸应力减小。NEMS芯片的频率失谐与吸收功率成正比，频率变化可以通过闭环振荡方案结合频率计进行监测。(46,47) 与成像技术不同，NEMS芯片的整个感测区域都被探测红外光照射。所得到的红外光谱揭示了样品的总体性质。NEMS-IR在室温下对从紫外到远红外的宽光谱范围具有皮克级灵敏度。(44) 该技术已用于分析聚合物纳米颗粒(48,49)、药物化合物(43,50)、聚合物胶束(51)、薄膜(25)和爆炸物(52)。Luhmann等人(42)还展示了NEMS-IR结合原位热脱附（TD）分析在分离简单分析物混合物中的应用。(42)

NEMS-IR bisher仅用于分散光谱分析，通常依赖窄带可调QCLs。虽然之前曾使用光机械镀膜悬臂作为FTIR光源的光热探测器(53)，但它们的灵敏度较低(54)，依赖光学读出，并且样品收集的表面积有限，限制了实际应用。本文介绍了将NEMS与FTIR光谱仪结合使用的NEMS-FTIR光谱技术（见图1A）。

**图1**
图1. NEMS-FTIR分析的实验装置。(A) 配备了纳米机电红外分析器（EMILIE，Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）的FTIR光谱仪（Vertex 70，Bruker Corporation，美国）。插图展示了从光谱仪输出到NEMS芯片的光路。(B) NEMS采样和传感芯片（Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）。NEMS谐振器中心的方形膜由SiN制成，尺寸为1×1毫米^2，厚度约为50纳米，中心有一个直径约600微米的圆形穿孔区域，孔间距为3微米。(C) 20纳升的PS分散液，相当于15纳克的沉积质量，通过压电纳米滴液器沉积并限制在穿孔区域内。(D) 结合蒸发法的滴落铸造示意图，其中湿度梯度导致溶剂通过穿孔蒸发，从而在膜的中心区域收集样品。(E) 500纳升的PS分散液，相当于15纳克的沉积质量，用微量移液器滴落在膜区域并使用蒸发法干燥。(F) 不使用蒸发法的情况。

通过结合商用FTIR光谱仪的宽光谱覆盖范围、易用性和高灵敏度以及NEMS谐振器的纳米机械光热检测能力，NEMS-FTIR实现了皮克级检测限的测量——无需低温冷却。由于读出完全基于光热效应，NEMS-FTIR天然免疫于常见的红外光谱伪影，包括Mie散射畸变(55)、ATR相关光谱异常(56?60)和相干性问题(61)。NEMS芯片膜的响应性在其中心最高，那里有一个圆形微穿孔（见图1B）。因此，当沉积的分析物限制在这个区域时，信号最强。先前的研究使用基于气溶胶的沉积方法实现了这种定位。(43,45) 在这种方法中，液体样品被雾化，含有分析物的气溶胶颗粒通过NEMS芯片的中央穿孔被高效收集。(42,43) 尽管这种方法可以均匀覆盖整个穿孔区域（见图S1B），但颗粒大小依赖的收集效率使得定量分析变得复杂。为了解决这一限制，我们引入了两种滴铸沉积方法，确保了非挥发性分析物的100%保留率，从而实现了定量测量。结合这些定量沉积策略，直接将纳米粒子分散液采样到一次性NEMS芯片上，使得NEMS–FTIR成为一种强大的批量分析方法，用于常规检测和表征纳米塑料。许多研究使用不同的分析方法分析了茶叶制备过程中茶包中微塑料和纳米塑料颗粒的释放情况，例如扫描透射X射线显微镜、(62)红外光热外差显微镜、(63)拉曼成像、(64?67)液相色谱-质谱(LC–MS)技术、(67?69)以及ATR-FTIR光谱学(70,71)。为了避免茶叶基质的复杂性，这些研究通常使用已经倒空的茶包进行，这简化了样品制备过程(63,64,68,70?72)。一些实验策略与日常冲泡条件有显著不同，例如使用更高的茶包与水比例(70,71)，或者涉及样品浓缩步骤，如超速离心(70)、密度分离和超滤浓缩(62)，或蒸发干燥以获得粉末(71)。相比之下，我们在这里展示了NEMS–FTIR可以化学识别单个茶包冲泡水中基于尼龙的PA浸出物。NEMS-FTIR分析浸出物只需要几纳升的样品量，并且即使存在有机茶叶基质也不需要任何预浓缩步骤。NEMS-FTIR没有尺寸限制，因此能够识别从尼龙茶包中浸出的尼龙聚合物片段以及更小的尼龙寡聚物。通过扫描电子显微镜(SEM)直接成像沉积在NEMS芯片上的样品，可以获得形态信息。NEMS-FTIR的检测限(LoD)针对三种模型纳米塑料——PS、PP和PVC进行了测定，测得的吸光度与沉积在NEMS芯片上的PS颗粒的实际质量有定量关系。

**结果与讨论：将水基纳米塑料分散液滴铸到NEMS芯片上**

为了实现定量测量，本研究使用了两种滴铸方法，将纳米塑料样品从水分散液中沉积并限制在NEMS芯片的穿孔中心。1) 使用压电纳米滴 dispenser 沉积纳升级液滴。20纳升液滴干燥2分钟后，颗粒完全被限制在NEMS芯片的穿孔区域内，如图1C所示。咖啡环直径（见图S2）是根据六次独立测量得出的，20纳升液滴的平均直径为252 ± 23微米，证实了液滴尺寸的可重复性。2) 对于非常低浓度的样品，可以在NEMS芯片上沉积大至500纳升的液滴。这些通过微 pipette 沉积的液滴直径大于膜穿孔区域的600微米直径。使用渗透和蒸发或渗透蒸发的组合进行干燥（如图1D所示），以将分析物收集在传感区域内。在渗透蒸发过程中，在膜上创建了一个受控的湿度梯度，优先通过膜穿孔驱动溶剂蒸发。结果，从大液滴中沉积的溶质和颗粒一致地在膜的中心干燥，如图1E所示。相比之下，如果没有渗透蒸发，分析物会在整个芯片上干燥（见图1F）。干燥后，可以添加更多的液滴来浓缩样品。使用渗透蒸发方法，500纳升的液滴大约在30分钟内干燥。

**单个纳米塑料分散液**

使用压电纳米滴 dispenser 将三种不同聚合物的水基分散液——PS（标称直径：100纳米）、PP（标称直径：54纳米）和PVC（标称直径：262纳米）沉积在单独的NEMS芯片上。图2A显示了沉积在NEMS芯片中央圆形穿孔上的PS纳米颗粒（见图1B）。相应的PP和PVC纳米颗粒在NEMS芯片上的扫描电子显微镜(SEM)图像见支持信息中的图S3。这些SEM图像突出了所研究模型纳米塑料颗粒通常呈球形且尺寸分布相对均匀的特点。

**图2**
图2. 模型纳米塑料的表征和定量。(A) 位于NEMS芯片穿孔膜区域的PS纳米颗粒的SEM图像。(B) 通过NEMS-FTIR测量的20纳克PS的吸光度光谱，与使用PS折射率数据通过方程4和7计算的参考光谱进行比较。(73)(C) 沉积在NEMS芯片上的不同质量负载的PS纳米颗粒的NEMS-FTIR光谱。插图突出显示了用于构建校准曲线和确定LoD的1452厘米–1峰。(D) 1452厘米–1 PS峰、1377厘米–1 PP峰和1427厘米–1 PVC峰的校准曲线，插图显示了对应于较低质量负载区域的放大视图（误差条N = 3，95%置信水平）。

**高分辨率图像**
通过将不同模型纳米塑料浓度的20纳升液滴沉积在NEMS芯片上（每种浓度3个芯片）来获取光谱数据。图2B展示了20纳克PS的NEMS-FTIR光谱（以吸光度表示）与根据折射率数据（73）计算的参考光谱的比较。比较两种光谱的吸光度值使得能够校准NEMS-FTIR方法，确定dIR，这是一个代表照射SiN膜的IR光束有效直径的模型参数。提取的值dIR = 0.92 ± 0.06毫米，小于SiN膜直径设定的理论最大值1毫米，假设光束具有均匀的强度分布。这种减少表明IR光束的辐照度在膜的中心最高，样品就位于那里。光谱处理程序的详细信息在“NEMS-FTIR光谱的处理”部分中有描述。

在NEMS-FTIR设置中，IR光从下方进入真空室，穿过膜后到达样品的顶表面（见图1A中的插图）。膜展示了一个宽的SiN吸收带，最大吸收峰位于835厘米–1（见图S4）。这一特性可以作为内在的内部标准，用于监测芯片间的变异性和测量条件。因为SiN带在其最大值处吸收了大约20%的入射IR强度，所以与这一区域光谱重叠的样品振动模式可能会被衰减，因为部分光子通量已经被膜吸收。因此，在解释这一波数范围内的光谱时，这种效应构成了一个潜在的测量伪影。然而，在当前的测量中，没有样品特征与SiN吸收带重叠（见图2B），也没有观察到峰值衰减。由于835厘米–1附近的光谱区域通常较为稀疏，这种潜在的伪影通常不是问题。

图2C显示了经过功率校正、使用835厘米–1处的SiN峰进行归一化并转换为吸光度的PS纳米颗粒的NEMS-FTIR光谱。PP和PVC纳米颗粒的光谱分别见支持信息中的图S5和S6。

记录的PS纳米颗粒NEMS-FTIR光谱中的IR峰位置与文献中的数据一致(74?78)。值得注意的是，PS的特征峰位于753和700厘米–1，以及一个单取代的苯环，这通过2000至1650厘米–1之间的一系列弱泛音和组合带得到证实（所谓的“苯手指”），如果含有苯环的分子浓度较低，这些峰在光谱中通常难以检测到(76)。然而，即使在纳克范围内的非常低质量下，这些峰在NEMS-FTIR光谱中也清晰可见。确切的峰位置列在支持信息中的表S1中。

使用PS的衰减系数和从NEMS-FTIR光谱在ν? = 1452厘米–1处计算的吸光度，估计了沉积在NEMS芯片上的PS纳米颗粒的质量。质量估计程序的详细信息在“材料与方法”部分的“质量估计”中有描述。样品吸光度的计算考虑了颗粒的空间分布，这些颗粒主要在NEMS芯片的穿孔中心形成了一个圆形斑块。图S7显示了沉积的（沉积的PS颗粒量）与从测量的PS颗粒吸光度估计的（纳米塑料颗粒的质量）之间的相关性。NEMS芯片上沉积的样品质量的不确定性是根据用于样品制备和沉积的工具的不确定性估计的。从NEMS-FTIR光谱估计的样品质量的最大不确定性来源于测量吸光度αS(1452厘米–1)的不确定性。NEMS芯片上沉积的质量的准确值以及从NEMS-FTIR光谱计算出的估计质量及其标准差可以在支持信息中的表S2中找到。

PP和PVC纳米颗粒的NEMS-FTIR光谱也显示了与先前使用FTIR光谱学(76,78?82)以及使用早期IR分光光度计(83)获得的测量结果一致的峰。支持信息中的表S1提供了PP和PVC纳米颗粒的所有特征峰的详细列表，包括它们的光谱分配和文献参考。NEMS-FTIR不会像之前的ATR-FTIR测量那样出现红移(84)。在ATR-FTIR中，由于衰减波与样品表面的相互作用，一些峰位置会略有移动，这取决于折射率和波长。ATR测量固有的波长依赖性穿透深度也可能导致低波数带比透射（或吸光度）光谱显得更强烈(56?60)。这种类型的伪影在NEMS-FTIR光谱中不存在。NEMS-FTIR生成的光谱与透射FTIR光谱相当，可以无缝集成到现有的光谱库和化学计量工具中，从而实现高效准确的分析。此外，由于纳米塑料颗粒是在高真空下分析的，因此得到的光谱不受水分子和二氧化碳(CO2)的光谱干扰。

图2D显示了PS、PP和PVC模型纳米颗粒的校准曲线。对于每种纳米塑料类型，评估了几个特征峰，以估计最低检测限和最高确定系数(R2)。校准曲线是使用1452厘米–1处的特征峰构建的，对于PS是C–H弯曲振动（见图2C中的插图），对于PP是甲基集团(CH3，对称弯曲；见图S5中的插图），对于PVC是亚甲基集团(CH2，弯曲；见图S6中的插图），结果显示出良好的线性(R2 > 0.9885)。LoD是根据关系3σ/m从校准曲线计算得出的，其中σ是方法空白的标准偏差(N = 9)，m是相应校准曲线的斜率。结果总结在表2中。PP显示出最陡的校准斜率，这是由于用于校准曲线的IR带最强，因此具有最低的LoD。检测限低于Py-GC/MS所达到的水平，已发表的值范围为1至10纳克(16?18)，并且与最先进的TD-PTR-MS技术的性能相当，其LoD低至340皮克(20)。

**表2. LoD计算参数**
a
塑料类型 | 峰位置（厘米–1） | 空白的标准偏差（10–4 ?） | 斜率（10–4 ?/纳克） | LoD（皮克）
PS | 1452 | 0.49 | 4.17 | 351
PP | 1377 | 0.29 | 8.67 | 101
PVC | 1427 | 0.48 | 4.09 | 353

**不同纳米塑料的计算LoD总结，包括相应的峰位置（以波数计）、空白在这些峰位置的标准偏差(σ)（N = 9）和校准斜率(m)。LoD是根据3σ/m计算的。**

不同纳米塑料颗粒的检测限变化与颗粒大小无关。在较高负载的芯片上进行的测量中，观察到的纳米颗粒聚集并未导致线性偏差。虽然NEMS-FTIR可以检测非常小的分析物质量，但非常稀释的溶液需要预浓缩。可以滴铸到NEMS芯片上的最大液滴体积限制在大约500纳升。考虑到PS的LOD为351 pg（见表2），单次500 nL样品的最小可检测浓度为0.7 μg/mL。然而，除了常用的预浓缩技术（如固相萃取、超滤和渗滤）外，NEMS芯片还提供了新的样品预浓缩方法。可以在NEMS芯片上连续沉积多个液滴，并通过中间干燥步骤将分析物的质量增加到所需水平。还可以使用雾化采样方法将较大体积的样品浓缩到NEMS芯片上。基于典型的雾化器流速20 μL/min、采样时间1小时以及100 nm颗粒的约50%气溶胶捕获效率，我们估计可以检测到低至0.6 ng/mL的浓度。作为参考，Li等人（85）报告了自来水中纳米塑料的浓度，颗粒大小在58至255 nm之间，浓度范围为1.67至2.08 ng/mL。在处理含有相对于目标分析物高浓度有机物质的复杂基质时，可能需要简化或去除基质以消除光谱干扰或避免NEMS芯片过载。

图3A和B中的SEM图像提供了用PS、PP和PVC纳米颗粒按1:1:1质量比混合后采样的NEMS芯片穿孔区域的特写视图。这些图像中突出的颗粒是根据其大小识别的，这与所使用的各种纳米塑料的已知尺寸分布相对应：PS约为100 nm，PP约为54 nm，PVC约为262 nm。

图3. 纳米塑料混合物的特性。(A) 含有PS、PP和PVC的混合物的SEM图像。(B) 强化显示PS（? 100 nm，蓝色方块）、PP（? 54 nm，绿色方块）和PVC纳米颗粒（? 262 nm，红色方块）的膜区域。(C) 纯PS、PP和PVC纳米颗粒及其1:1:1混合物的堆叠NEMS-FTIR光谱。垂直线标记了每种聚合物的特征峰。

图3C中的混合物NEMS-FTIR光谱显示了每种聚合物组分的特征峰，这些峰由垂直线标出。尽管每种组分的沉积质量仅为5 ng，但PS、PP和PVC的峰仍然可以清晰区分。PS、PP和PVC纳米颗粒的确切峰位可以在支持信息中的表S1中找到。在环境中，经常遇到不同聚合物微粒和纳米颗粒的混合物，NEMS-FTIR的宽光谱范围增加了在不受干扰的情况下检测到不同峰的可能性，从而便于在光谱特征足够清晰时识别各个组分。

图4A显示了尼龙茶包浸出液量化的实验装置示意图。一个空的尼龙茶包被浸入200 mL预热至95 °C的水中10分钟。

图4. 尼龙茶包在水中释放的浸出液的特性。(A) 样品制备过程的示意图。(B) SEM图像显示了尼龙茶包释放到水中的碎片。(C) 尼龙茶包浸出液（100 nL和500 nL）在NEMS芯片上的NEMS-FTIR光谱，与500 nL茶包浸出液的ATR-FTIR光谱以及整个尼龙茶包的ATR-FTIR光谱（参考）进行了比较。垂直线表示与尼龙基PA相关的特征红外峰。(D) 经过25天加速老化处理的尼龙茶包浸出液的NEMS-FTIR光谱，模拟了一年的老化条件。右侧插图突出显示了1642 cm–1处的尼龙基PA特征峰。左侧插图表示1642 cm–1处的信号强度与尼龙茶包加速老化天数的依赖性。

图4B显示了在冲泡过程中从尼龙茶包释放到水中的微粒和纳米颗粒碎片，这些碎片使用压电纳米液滴分配器沉积在NEMS芯片上。在从老化茶包中取样水后，膜上也观察到了较小的碎片，这里使用了基于液雾化的不同样品沉积方法（见图S8）。

图4C显示了尼龙茶包浸出液的NEMS-FTIR光谱（N = 3）。100 nL和500 nL的茶包浸出液分别使用压电纳米液滴分配器和滴铸结合渗透法沉积在NEMS芯片上，没有进行预浓缩步骤。500 nL的茶包浸出液也通过ATR-FTIR进行了分析（见图4C）。与相同的500 nL样品的NEMS-FTIR光谱相比，ATR-FTIR信号明显较弱。只有在放大20倍后（见支持信息中的图S9），ATR-FTIR光谱中才能隐约看到尼龙基PA最显著的峰。相比之下，整个尼龙茶包的参考ATR-FTIR光谱展示了与浸出液NEMS-FTIR光谱中观察到的特征非常吻合的清晰光谱特征，无论是100 nL还是500 nL样品。

从茶包浸出液中收集的NEMS-FTIR光谱允许化学鉴定茶包的材质，并确认这种材料正在渗入茶水中（见图4C、D）。图4C中用垂直线标出的特征红外峰与原始整个尼龙茶包的参考ATR-FTIR光谱以及文献（86?92）中的特征相符，证实了尼龙基PA的存在，包括酰胺I（1642 cm–1）和酰胺II（1553 cm–1）带。酰胺I带主要来源于酰胺基团中的C = O伸缩振动，而酰胺II带则是N–H弯曲和C–N伸缩振动的组合，这是尼龙基材料的独特特征。此外，NEMS-FTIR光谱中还观察到了其他几个与尼龙相关的特征，包括在2860 cm–1（对称）和2930 cm–1（不对称）处的CH2伸缩振动，这些是尼龙结构中亚甲基的典型特征。在3087 cm–1处检测到与N–H伸缩泛音相关的特征峰，在3300 cm–1处检测到与酰胺基团N–H伸缩振动相关的特征峰。在1720 cm–1处出现了一个在整体尼龙茶包的ATR-FTIR光谱中不存在的弱峰，这可能与降解相关的功能如酰亚胺（89）或羧酸基团（91,92）有关，这些可能在热水暴露过程中形成，表明存在水解的链末端或未结合的低分子量寡聚物。所有观察到的峰的确切位置和归属可以在支持信息中的表S1中找到。通过与在线光谱数据库（如Open Specy（94）和Spectragryph（95）的比较，确认释放的物质是尼龙基PA。

为了比较NEMS-FTIR和ATR-FTIR，对ATR-FTIR光谱应用了校正因子。图S10A显示了未经校正的茶包ATR-FTIR光谱，以及校正后的光谱，以说明自动ATR校正程序的效果。如图4C所示，在2500–1800 cm–1区域出现了来自ATR晶体的弱钻石声子吸收带。图S10B提供了该光谱的特写。这些现象是由于样品和钻石（n = 2.42（96）之间的折射率差异造成的。由于尼龙的折射率约为1.50–1.53（97），这种差异（Δn）足以使晶体声子特征在光谱中可见。此外，在同一区域内还可以看到CO2吸收峰（见图S10B），这也贡献了观察到的光谱特征。NEMS-FTIR光谱中不存在峰位和峰形的变化，以及与ATR-FTIR光谱相关的额外钻石吸收峰、CO2峰和潜在的水蒸气峰。

在整体尼龙茶包的ATR-FTIR光谱与500 nL浸出液的NEMS-FTIR光谱之间也观察到了峰比的差异（见图4C）。在NEMS-FTIR中，1642 cm–1处的酰胺I峰比ATR-FTIR光谱更明显。这可能反映了样品之间的差异，因为ATR-FTIR光谱是从完整的聚合物获得的，而NEMS-FTIR光谱是从茶包暴露于热水后释放的富集了寡聚尼龙物质的浸出液中获得的。随着老化过程的进行，尼龙茶包进一步降解，释放出越来越多的尼龙基PA寡聚物和小碎片，如图4D中的插图所示，峰的强度也随之增加。这一观察结果与先前的研究一致，表明长时间暴露于环境老化条件会促进聚合物颗粒释放到周围介质中。在没有消化或超滤的情况下，用柠檬香蜂草叶制备的样品中也观察到了特征尼龙峰（见图5A）。这种复杂样品的光谱（红色轨迹）显示了尼龙和柠檬香蜂草峰的叠加。通过从纯柠檬香蜂草叶的信号中减去尼龙茶包的信号，可以恢复尼龙茶包的光谱（黑色轨迹）。尼龙相关峰用垂直虚线标出。纯柠檬香蜂草叶的光谱展示了植物基多酚提取物的特征，包括在1602 cm–1处的主导带（C = C伸缩）、接近1690 cm–1处的羰基相关带、1440–1400 cm–1区域内的芳香环振动、接近1270 cm–1处的C–N伸缩带、以及2900 cm–1附近的脂肪族CH/CH2伸缩带和在3300 cm–1处的宽O–H伸缩特征。

图5. 复杂基质中尼龙茶包释放的浸出液的特性。(A) 含有（红色轨迹）和不含（蓝色轨迹）尼龙茶包的冲泡柠檬香蜂草茶的NEMS-FTIR光谱，以及相应的差异光谱。尽管基质复杂，尼龙相关峰（垂直线）仍然可以区分。(B) 经过氧化和超滤处理后的相同样品的保留液和渗透液的NEMS-FTIR光谱。尼龙基PA峰的位置用垂直线标出。渗透液显示了清晰的尼龙特征，而保留液光谱主要由柠檬香蜂草茶基质的信号主导。所有光谱均以任意单位显示。

同样的柠檬香蜂草茶提取物用茶包冲泡后进行了氧化，并通过超滤去除有机基质（62,65,66,71）。如图5B所示，所得组分的NEMS-FTIR光谱（保留液和渗透液）显示出明显差异。尽管保留液是浓缩后的组分（从200 mL减少到20 mL），但其光谱并未显示明确的尼龙峰；相反，观察到的特征主要由柠檬香蜂草茶基质的信号主导。这可能是由于液体中残留的茶叶颗粒大小超过了超滤膜的标称截留尺寸（≈ 1 nm）。相比之下，尽管由于加入了洗涤水（180 mL）而稀释了大约5倍，渗透液的NEMS-FTIR光谱仍显示了清晰、分辨良好的尼龙特征。这些结果表明，较小的尼龙衍生物，如溶解的寡聚物，通过了超滤膜。光谱在1553、1642、2860、2930和3300 cm–1处显示出特征性峰值，这些峰值对应于基于尼龙的聚酰胺（PA）及其亚甲基团的典型振动模式。(86?88) 释放的物种类型和数量也可能因茶包中尼龙的原始制造方式而异，包括聚合条件或添加剂的差异。这些观察结果与LC-MS/MS分析结果一致，后者揭示了茶包浸出液中存在尼龙寡聚物和单体。(67,69) 对于PET茶包也观察到了类似的现象，其浸出液中检测到了寡聚物。(68) 此外，对其他尼龙材料的研究也报告了尼龙寡聚物释放到水介质中的情况。(69,93) 这些结果表明，如果在样品制备过程中仅使用成像技术分析保留液，则可能会低估复杂样品中释放的塑料浓度。

结论
NEMS-FTIR已被证明能够快速识别和定量水分散液中的纳米塑料，具有皮克级别的灵敏度。研究表明，可以从多分散混合物中识别出滴铸或雾化的聚合物纳米颗粒，并且从沉积的PS纳米颗粒测得的信号可以用来估计NEMS芯片上PS的质量。为了展示其在实际样品中的适用性，使用NEMS-FTIR识别了冲泡过程中从尼龙茶包中释放的聚合物颗粒和更小的寡聚物。浸出液直接在NEMS芯片上进行分析，无需预先处理或浓缩。我们还表明，对于相对简单的水基基质（如茶浸液），无需消化、氧化、超滤或浓缩步骤即可识别尼龙浸出物。与ATR-FTIR相比，NEMS-FTIR提供了显著更高的灵敏度，可以从小至100 nL的样品中揭示出基于尼龙的聚酰胺的特征光谱。即使体积是ATR-FTIR的五倍，ATR-FTIR也只能产生微弱且难以区分的信号。与需要额外光谱校正和仔细选择晶体的ATR-FTIR不同，NEMS-FTIR通过直接吸收测量简化了数据解释。在高真空下进行测量，并使用氮气冲洗的光学路径，以最小化来自环境中的CO2和水蒸气的光谱干扰；NEMS芯片的SiN材料可以用作内在内标，以解释芯片间的差异。对尼龙茶包的加速老化实验表明，在长时间的环境应力下可以监测聚合物颗粒和寡聚物的释放情况。结果表明，如果在样品制备过程中使用过滤和透析步骤，仅分析保留液，则可能会低估释放的塑料浓度。

利用FTIR仪器的广泛可用性，NEMS-FTIR非常适合常规监测和广泛应用。其非破坏性特性进一步允许使用SEM、EDX或O-PTIR等互补技术进行后续的空间样品表征。所展示的性能和与现有工作流程的易集成性突显了NEMS-FTIR作为环境监测和纳米材料分析工具的潜力。

方法
纳米塑料颗粒
PS纳米颗粒（直径约100 ± 10 nm，产品编号43302）以10% w/v的水分散液形式从Sigma-Aldrich（美国密苏里州）获得。PP（直径约54 nm，产品编号PP50）和PVC纳米颗粒（直径约262 ± 30 nm，产品编号PVC250）也以1% w/v的水分散液形式从Lab261（美国加利福尼亚州）获得。

单种和混合纳米塑料分散液的制备
所有使用的设备首先用丙酮（HPLC Plus级，产品编号650501，Sigma-Aldrich）和异丙醇（电子级，产品编号733458，Sigma-Aldrich）清洗，然后用蒸馏去离子水（DDW，18 MΩcm；Millipore，美国马萨诸塞州）冲洗五次，最后用UHPLC-MS级水（产品编号W81，Thermo Fisher Scientific，美国马萨诸塞州）冲洗。最后，所有物品在层流罩（Envirco，美国北卡罗来纳州）下干燥以防止污染。所有样品都在通风橱（Secuflow，Waldner Holding，德国）中制备，同时佩戴丁腈手套（产品编号0439，Helmut Feldtmann GmbH，德国）。所有实验程序中也使用了干净的丁腈手套。
连续稀释和混合液的制备使用UHPLC-MS级水进行。使用PIPETMAN P1000微量移液器和相应的DIAMOND D1000 TIPACK吸头（产品编号F144059 M和F171500，Gilson Incorporated，威斯康星州）进行制备。所有稀释液都储存在带有快开盖的3级钠石灰玻璃小瓶中（产品编号LC84.1和LC87.1，Carl Roth GmbH，德国）。
所有原液和稀释后的分散液首先使用Mini Vortexer（Heathrow Scientific，伊利诺伊州）涡旋30秒，以确保均匀分布，然后进行后续稀释。PS纳米颗粒分散液的浓度范围为31.25–2000 μg/mL，而PP和PVC分散液的浓度范围为31.25–500 μg/mL。三种类型聚合物纳米颗粒的混合分散液按1:1:1的质量比制备。表3总结了每个单独和混合样品使用的最终浓度。空白样品由用于稀释过程的相同UHPLC-MS级水制成，经过与实验样品相同的制备过程。

表3. 纳米塑料分散液的表征
纳米塑料类型 浓度（μg/mL）(A) 总沉积质量（ng）(B)
PS 40 20 10 5 2.5 31.25
PP 10 5 2.5 1.25 0.6
PVC 10 5 2.5 1.25 0.6
PS:PP:PVC (1:1:1) 5 a

茶包
标准茶叶冲泡程序
实验中使用的茶包在线购买（Temu.com，中国），从Hernandez等人的研究中改编了从茶包中释放塑料颗粒的程序。(71) 为了最小化潜在污染，根据制造商说明购买的空茶包消除了额外切割或去除茶叶的需要。首先使用这些空茶包建立了一个受控参考系统，然后再引入含有茶叶的更复杂基质。小心地用剪刀剪掉连接茶包的小标签的细棉线。然后用UHPLC-MS级水冲洗茶包五次，以避免杂质或松散的塑料颗粒，并在层流罩中晾干过夜。
为了模拟典型的茶叶冲泡过程，将200 mL的UHPLC-MS级水倒入一个Erlenmeyer烧瓶（Duran，DWK Life Sciences GmbH，德国），该烧瓶已按照“单种和混合纳米塑料分散液的制备”部分描述的相同程序进行预清洁。水达到沸点后，将茶包浸入烧瓶中。10分钟后，用干净的金属镊子小心取出茶包，然后让水冷却过夜。烧瓶用铝箔覆盖，以防止冷却过程中的污染。使用相同的UHPLC-MS级水制备空白样品，但不加入茶包。

茶包和茶叶
为了评估NEMS-FTIR在含有天然有机物的更复杂基质中的性能，将新鲜的柠檬香蜂草茶叶与尼龙茶包一起冲泡。该程序改编自Foetisch等人的研究。(62) 首先将200 mL的UHPLC-MS级水煮沸，然后将大约1 g的新鲜柠檬香蜂草叶子放入金属茶筛（孔径未指定）中，并在95 °C下浸泡5分钟。将得到的浸液分成两份25 mL的等份，每份重新加热至沸腾。向其中一份等份中加入一个尼龙茶包并浸泡5分钟，然后用金属镊子取出茶包，模拟含有茶叶和茶包的冲泡情景。第二份等份仅含有茶叶，作为不含茶包的有机物质对照基质。浸泡后，两份等份都用铝箔覆盖几小时以防止污染。然后在冲泡后和任何有机消化及超滤过程之前，使用NEMS-FTIR进行分析。
对两个样品进行了六次连续添加过氧化氢（H2O2；30%，产品编号CP26.1，Carl Roth GmbH，德国）的有机消化处理。添加的H2O2量计算为保持总体浓度约为5%，假设之前添加的H2O2完全消耗。
消化后，两个样品都经过超滤和使用Amicon Stirred Cell（200 mL，产品编号UFSC20001，Sigma-Aldrich）及3 kDa Ultracel膜（直径约63.5 mm，产品编号PLBC06210，Sigma-Aldrich）的洗涤。膜的实际截留尺寸约为1 nm。(102) 使用2.3 mbar的氮气推动样品通过膜。搅拌池储液器装满UHPLC-MS级水至200 mL，然后过滤至剩余约20 mL。处理大约180 mL液体需要约2小时。保留液和渗透液均收集用于NEMS-FTIR分析。

茶包的加速老化
加速老化实验在SimTech Feutron双气候室（73 × 77 × 102 cm，Feutron Klimasimulation GmbH，德国）中进行，该室配备了两个Ultra-Vitalux灯（300 W，产品编号4008321543929，Osram，德国），两者相距30 cm（见支持信息中的图S11）。这些灯发出宽谱紫外线（UVA: 315–400 nm，UVB: 280–315 nm），辐照度约为59.1 W/m2，模拟自然太阳辐射以诱导降解。
一个金属板位于灯下方32 cm处，上面放置了装有茶包样品的3级钠石灰玻璃小瓶（产品编号LC92.1和LE03.1，Carl Roth GmbH，德国）。这些小瓶具有良好的紫外线透过性，特别是在UVA范围内，同时最小化了光吸收。该室按照循环时间表运行：8小时在60 °C下暴露于紫外线，然后在25 °C下黑暗中放置4小时，模拟自然昼夜温度变化。这种基于ISO 4892–3 (103)和ASTM G154 (104)标准的方案持续25天，相当于大约一年的自然老化。(105) 七个尼龙茶包每个装在30 mL的UHPLC-MS水中，在1、2、5、10、15、20和25天时分别收集样品，以监测颗粒释放和降解情况。同时，每个茶包样品也收集了空白样品（不含茶包的水）。

NEMS芯片
如图1B所示，NEMS芯片或谐振器同时充当传感设备和样品载体，是NEMS-FTIR技术的核心。本研究中用于制造NEMS芯片的晶圆由硅（Si）和SiN制成，厚度分别为380 μm和50 nm，SiN的固有拉伸应力约为50 MPa。在最终制造步骤KOH蚀刻后，释放出一个1 × 1 mm2的SiN膜。该膜有一个直径约600 μm的穿孔区域，孔间距为3 μm。样品沉积在该膜上进行分析。芯片上放置两个宽10 μm的金电极，以实现电转换，使机械振动转换为电信号，如Be?i?等人和Luhmann等人所展示的。(49) 制造完成后，一次性NEMS芯片存储在单独的封闭塑料容器中，以防止交叉污染和来自环境的非特异性吸附。

采样方法
滴铸方法
根据样品沉积的具体要求，可以采用不同的滴铸策略。在这项工作中，根据目标沉积体积选择了两种不同的滴铸方法将样品沉积到NEMS芯片上。
在纳米液滴分配方法中，使用了一种压电纳米液滴分配器（PIPEJET nanoDispenser，BioFluidix-Hamilton Freiburg，德国）（见图S12A）将分散液沉积到NEMS芯片的膜上。使用内径为200 μm的聚酰亚胺毛细管（产品编号PJ-20010）来输送20 nL的单个液滴。将1 cm长的Tygon管（产品编号VM-20053–1）连接到毛细管上，以便于样品加载。使用微量移液器（PIPETMAN P1000，产品编号F144059M，Gilson Incorporated，威斯康星州）和相应的DIAMOND D1000 TIPACK吸头（产品编号F171500，Gilson Incorporated，威斯康星州）将液体样品注入毛细管。纳米液滴分配时的行程速度设置为90 μm/ms。对于稀释系列的每个浓度，将20纳升（nL）的液滴沉积在各个NEMS芯片的中心。每个样品的总沉积质量列在表3B中。每个沉积过程重复三次，每种特定聚合物质量准备了三个NEMS芯片。另外还采集了九个NEMS芯片的空白样品，以提供可靠的基线用于后续减法计算。对于纳米塑料颗粒的混合物，通过将一滴滴入20纳升的预混合分散液到NEMS芯片上来制备一个重复样本。同时，在另外三个NEMS芯片上也滴入了空白样品。对于水中茶包浸出物的分析，使用压电纳米液滴分配器在三个NEMS芯片上采集了浸出物样本，在另外三个芯片上采集了空白样本。每个NEMS芯片依次滴入十滴（每滴10纳升）液体样本，滴落之间有两分钟的延迟，每个芯片总共滴入100纳升。

在结合滴铸法和渗透蒸发法的方法中，使用了Drop Casting Accessory（Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）、微吸管（PIPETMAN P2，产品编号F144054M，Gilson Incorporated，威斯康星州，美国）以及相应的微吸管尖端（DIAMOND DL10 TIPACK，产品编号F171200，Gilson Incorporated，威斯康星州，美国）来制备三个NEMS芯片。每个芯片上滴入一滴500纳升的茶包浸出物。然后如图S12B所示，将这些芯片放置在具有控制湿度梯度的环境中进行干燥，由于芯片上有孔洞，这有助于通过渗透蒸发在孔洞区域内干燥液滴。在这种条件下，500纳升液滴的干燥时间大约为30分钟。同时，还使用空白样品采集了另外三个NEMS芯片的样本。

对于复杂水基矩阵的分析，使用压电纳米液滴分配器在每个NEMS芯片上滴入三滴（每滴10纳升），总共30纳升的液体样本。液体样本包括未经处理的茶叶和茶包提取物，以及在任何样品处理步骤之前和之后的提取物。相应的空白样本也是以相同的方式制备的。

为了分析茶包浸出物，使用压电纳米液滴分配器在每个NEMS芯片上滴入三滴（每滴10纳升），总共30纳升。液体样本包括未经处理的茶叶和茶包提取物，以及在任何样品处理步骤之前和之后的提取物。相应的空白样本也是以相同的方式制备的。

**颗粒沉积的气溶胶化方法**
采用了便携式气溶胶生成系统（PAGS，Handix Scientific Inc.，科罗拉多州，美国）来采集经过加速老化循环处理的尼龙茶包释放的颗粒。该装置通过膜中心区域的孔洞实现了颗粒的一致气溶胶化和沉积到NEMS芯片上。在固定的时间间隔（第1天、第2天、第5天、第10天、第15天、第20天和第25天）进行采样，以监测颗粒释放的时间演变。NEMS芯片被放置在一个支架（Aerosol Flow Adapter，Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）中，然后将其定位在一个八通道过滤器采样器（FILT，Brechtel Manufacturing Inc.，加利福尼亚州，美国）中，该采样器配备了内置泵。设置示意图见图S12C。雾化后，含有提取颗粒的气溶胶液滴通过NEMS芯片的中心孔洞被吸入。这些小孔限制并加速了气流，增加了颗粒的动量。具有足够惯性的颗粒不再跟随膜周围的弯曲流线，而是直接从流中脱离并撞击到孔洞区域。由于惯性撞击机制，沉积的样本覆盖了膜的整个孔洞区域，如图S1B所示。泵的流速设置为每分钟0.5升，每个芯片持续5分钟。

**SEM成像**
使用SEM（Hitachi SU8030，Hitachi，日本）来确认沉积在NEMS芯片上的颗粒大小，并分析塑料茶包的浸出物。为了成像，将采样的NEMS芯片安装在一个铝制样品支架上。采用上透镜模式的二次电子（SE）检测来捕捉高分辨率的表面细节。显微镜的工作电压为2千伏（2 kV），发射电流为3900纳安（3900 nA）。在不同放大倍数下检查NEMS芯片，以评估颗粒尺寸和沉积材料的结构特性。

**NEMS-FTIR光谱**
使用纳米机电红外分析仪（EMILIE，Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）与FTIR光谱仪（Vertex 70，Bruker Optics，马萨诸塞州，美国）结合使用，如图1A所示，收集所有NEMS-FTIR光谱，并确认不同类型纳米塑料颗粒及其混合物以及茶包浸出物的化学身份。在测量过程中，采样的NEMS芯片被放置在纳米机电红外分析仪的真空室内，压力为10–5毫巴（10–5 mbar），芯片的温度通过集成的热电冷却（TEC）控制器和珀尔帖元件（Peltier element）保持在25摄氏度（25 °C）。为了最小化大气干扰，在整个测量过程中用干燥氮气冲洗EMILIE和FTIR光谱仪的光学路径。FTIR参数的设置为分辨率4厘米^-1（4 cm–1），稳定延迟30毫秒（30 ms），200次叠加（200 coadditions），孔径6毫米（6 mm）。光谱范围从4000厘米^-1扩展到400厘米^-1。选择较大的光谱仪孔径，以确保红外光斑始终显著大于膜面积。对于每个单独的芯片，红外光束进行精细对准，以确保最大的信号幅度。

**ATR-FTIR光谱**
ATR-FTIR光谱与NEMS-FTIR结合使用，作为参考红外技术来分析茶包浸出物。茶包材料本身也使用ATR-FTIR进行分析，以确认它是浸出物中检测到的成分的来源。所有ATR测量都使用带有钻石晶体的铂金ATR附件（Platinum ATR accessory with a diamond crystal，A225/Q，Bruker Optics，马萨诸塞州，美国）在相同的Bruker Vertex 70光谱仪上进行。所有ATR-FTIR测量都在氮气冲洗条件下进行，以确保与NEMS-FTIR测量环境的一致性。

为了匹配NEMS-FTIR的实验条件，将500纳升的茶包浸出物样品应用于用异丙醇清洗的ATR钻石晶体上。使用与采样NEMS芯片相同的微吸管和尖端组合来滴入液滴（如“滴铸方法”部分所述）。液滴蒸发后，通过降低压力夹具对剩余残渣进行ATR测量。此外，还以相同的方式测量了500纳升的相应空白样品。

**用于酿造实验的茶包材料部分**
还分析了用于酿造实验的茶包材料的一部分。将清洁的ATR晶体覆盖上茶包碎片，并降低压力夹具以确保样品与晶体之间的良好接触。每次测量包括在压力下用空晶体记录的背景光谱，然后是样品光谱（空白、浸出物或茶包）。所有光谱的分辨率均为4厘米^-1，光谱范围为4000–400厘米^-1，使用32次扫描，扫描速度为2.5千赫兹（2.5 kHz），孔径为6毫米（6 mm）。在所有测量过程中都启用了大气补偿，以最小化水蒸气和二氧化碳吸收的影响。ATR-FTIR光谱使用OPUS软件中的“扩展ATR校正”（Standard mode）和“基线校正”（Baseline correction）功能来校正峰强度、形状和位置的轻微失真。光谱还使用了Savitzky–Golay滤波（窗口长度20，多项式阶数2）进行平滑处理。

**NEMS-FTIR光谱的处理**
所有原始NEMS-FTIR光谱都使用Savitzky-Golay滤波器进行了平滑处理，窗口长度为20，多项式阶数为2。然后将空白和分析物的光谱除以FTIR光源的NEMS-FTIR光谱，以考虑光源的波长依赖性强度。FTIR光源的光谱是使用涂有5纳米超薄Pt膜的NEMS芯片（EMILIE LIGHT chip，Invisible-Light Labs GmbH，奥地利）记录的。在此校正之后，光谱通过归一化因子进行缩放，将SiN峰在835厘米^-1处的值设置为1（RSiN = 1）。

**光谱校准**
使用835厘米^-1处的内在SiN吸收峰作为参考进行光谱校准。这种校准基于通过12片干净、有孔的2 × 2毫米^2、50纳米厚的低应力SiN膜的透射测量。支持信息中的图S4显示了使用FTIR光谱仪的内部探测器测量的NEMS芯片SiN材料的平均透射率和相应的吸光率（2毫米孔径，32次扫描，分辨率2厘米^-1）。尽管膜的大小（1 × 1毫米^2和2 × 2毫米^2）和孔洞面积（分别为600微米和1200微米）不同，但两种膜的孔洞与非孔洞膜材料的比率保持一致，使得基于SiN吸收峰的校准成为可能。特定波数ν?的吸光率α(ν?)通过透射率T(ν?)计算得出，假设散射可以忽略不计，即αSiN(835厘米^-1) = 0.21 ± 0.01。然后通过校准因子β将裸露SiN芯片的NEMS-FTIR响应RSiN与吸光率关联起来：β=αSiN(835cm?1)??SiN(835cm?1)。

**使用压电纳米液滴分配器在膜上沉积纳米塑料**
使用压电纳米液滴分配器在膜上沉积纳米塑料，形成了一个圆形样品点（见支持信息中的图S2）。纳米塑料占据的面积为ΣS，该面积小于照射芯片的红外光束面积ΣIR。如果样品集中在膜中心而不是均匀分布在整个膜上，增加的光热响应通过γ进行校正。样品的吸光率αS(ν?)是根据测量的NEMS-FTIR信号RS计算得出的：??S(???) = γ??S(???)ΣIRΣS。ΣIR是基于实验确定的有效红外光束直径dIR计算得出的。对于每种沉积的PS纳米颗粒质量，dIR被迭代调整，以优化测量的NEMS-FTIR光谱与根据已知PS折射率生成的参考光谱之间的匹配。优化特别关注匹配1452厘米^-1处特征吸收峰的强度和形状。这种方法提供了有效光束直径的估计，该直径代表了实际照射SiN膜的光斑大小。dIR被确定为0.92 ± 0.06毫米，接近于SiN膜横向尺寸为1毫米时的理想值。照射膜的总面积计算为ΣIR = π (dIR/2)2 – ΣP，其中孔洞的面积为ΣP = 0.108毫米^2。ΣS对应于膜上纳米塑料区域的直径dS = 504 ± 46微米。这些测量是通过在显微镜下观察六个单独的NEMS芯片获得的。然后使用ImageJ软件从这些图像中量化dS。总样品面积由ΣS = ηπ(dS/2)2给出，其中孔洞的填充因子η = 0.62。

**γ的计算**
γ是通过Kanellopulos等人的有限元方法（FEM）模拟计算得出的（107）。支持信息中的图S13给出了边长为1毫米的正方形低应力SiN膜的结果，γ = 1.68 ± 0.05。因此，响应是均匀分布在整个正方形膜上的样品的1.68倍。膜上的纳米塑料斑点形成了一个“咖啡环”，如图S2所示。在纳米级PS分散体中，通常有高达90%的颗粒聚集在咖啡环的边缘（108,109）。FEM模拟表明，咖啡环的形成对NEMS-FTIR响应没有显著影响（见图S14），响应性的估计不确定性小于3%。最后，空白校正后的纳米塑料吸光率可以通过以下公式计算：??(???) = ?log10[1???S(???)]+log10[1???B(???)]。结果光谱以吸光度单位（AU）表示，从而可以识别纳米塑料类型并定量确定沉积的质量。

**对于含有复杂基质的样品**
需要修改减法程序来考虑空白样品和分析物光谱之间的茶叶背景差异。尽管这两种光谱都是从同一份初始茶液中制备的，方法是将茶液分成两份：一份用作空白对照，另一份则加入了一个空的尼龙茶包进行富集处理，但来自茶叶提取物的背景贡献并不完全相同。这很可能是因为有机物质的非均匀性所致。尽管使用了新鲜茶叶以尽量减少颗粒破碎，但小颗粒或胶体成分可能在两份样品之间的分布并不均匀。为了消除与样品基质相关的光谱偏移，研究人员在3700至2500厘米^-1的范围内对光谱进行了归一化处理并进行了减法运算。因此，处理后的光谱以任意单位（a.u.）表示，仅适用于识别纳米塑料的类型。

**质量估算**
该框架旨在估算导致NEMS-FTIR信号的纳米塑料在NEMS芯片上的实际质量。根据Dudani和Takahama的方法（110），假设颗粒散射相对于吸收可以忽略不计，因此不需要考虑与散射相关的校正因子。由于这些颗粒的尺寸远小于本研究中使用的红外辐射波长（λ = 2.5–25 μm），对于直径为2r = 100 nm的球形颗粒，其尺寸参数x = 2πr/λ即使在最短波长下也≤0.13，属于瑞利散射区域，在该区域内吸收效应占主导地位。较大的颗粒、聚集现象（例如咖啡环沉积）以及非球形颗粒形状会增加散射贡献，但NEMS-FTIR技术依赖于对吸收能量的光热感应，而不是对透射或被吸收光的测量，因此对散射引起的光谱失真不敏感。因此，沉积颗粒的吸光度A(ν?)可以表示为线性衰减系数μ10(ν?)的函数：
$$
A(\nu?) = \mu_{10}(\nu?) \cdot h_{eff} = \mu_{10}(\nu?) \cdot m \cdot \rho \cdot \Sigma S
$$
其中，有效膜厚度h_{eff}是分析物质量m、纳米颗粒材料密度ρ以及样品面积ΣS的函数。

在NEMS-FTIR中，测得的吸光度值很小（αS(ν?) ? 1），因此吸光度可以用一阶泰勒级数展开来近似表示：
$$
A(\nu?) \approx \alpha_S(\nu?) - \alpha_B(\nu?) \ln(10)
$$
结合方程2、4和5，并求解分析物质量，可以得到：
$$
m = \frac{\beta_R S(\nu?) - \rho_B(\nu?) \cdot \mu_{10}(\nu?) \cdot \ln(10) \cdot \Sigma IR}{\gamma}
$$
其中RB(ν?)是平均空白光谱的NEMS-FTIR响应，ν?表示与样品特征振动模式对应的波数。

物质的衰减系数由其复折射率决定，复折射率定义为? = n + ik，其中n和k分别是实部和虚部。对于分布稀疏的颗粒层，十倍线性衰减系数可表示为：
$$
\mu_{10}(\nu?) = 6\pi \cdot \nu? \cdot \ln(10) \cdot \frac{\tan(\theta)}{1 - \left(\frac{\nu}{\lambda}\right)^2} + 2\mu_{10}(\nu~)
$$
方程7的详细推导可以在补充信息A部分找到。