《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Illuminating Microplastics: Multimodal Imaging for Decoding the Plastisphere Characteristics and In Vivo Tracking
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微塑料（MP）研究正从分布分类转向环境与生物界面复杂相互作用的探索，需结合多模态成像技术、人工智能及实时追踪手段提升分析精度，同时需解决数据融合、标准化及纳米塑料检测等技术瓶颈，以支撑污染治理与毒性评估。
徐梦欣|穆光丽|何宇航|赵振华|崔盼盼|崔红阳|崔晓宇|童印东
天津大学环境科学与工程学院，中国天津300072
摘要：
微塑料（MP）研究已从简单的分布记录发展为探究环境与生物界面之间的复杂相互作用。理解微塑料的动态行为及其在生物体内的行为是评估其环境影响和健康风险的前提。本文综述了多种成像技术，包括光学、电子显微镜、荧光显微镜以及光谱和质谱方法，这些技术能够揭示微塑料的形态、化学组成及其在多维度上的界面动态。尽管现有方法提供了独特的见解，但该领域仍受到检测偏差、分辨率与通量之间的权衡以及方法学误差的制约。结合人工智能和实时体内追踪的多模态成像技术为提高分析灵敏度和工作流程自动化提供了先进策略。然而，在数据融合、协议标准化以及检测超小纳米微塑料方面仍存在挑战。建立可互操作的数据框架、统一的校准标准及智能分析平台对于实现高精度监测与预测毒理学之间的衔接至关重要，从而为有效的污染控制策略提供支持。
引言
微塑料（MPs）是广泛存在的环境污染物，但要了解它们的环境归趋和健康风险，仅记录其存在是不够的，还需要可视化它们在自然环境中的复杂相互作用[1]、[2]、[3]。这一研究方向聚焦于两个前沿领域：微塑料界（plastosphere），这是一个动态的、被微生物定植的界面，影响着微塑料的老化过程及共污染物的行为[4]、[5]；以及微塑料在生物体内的迁移路径，这决定了它们的生物积累和毒理效应[6]。尽管存在非标准化采样协议、消化过程中产生的干扰以及缺乏认证参考材料等关键限制，但成像技术已成为提供微塑料分布及其在生物界面动态相互作用直观视觉信息的重要工具。与传统批量分析方法不同，先进成像技术能够直接在原位观察这些污染物，为探究微塑料与特定生态和生物结果之间的关联提供了必要的空间背景[7]。
具体而言，研究微塑料界需要同时了解其三维（3D）微生物结构、化学均匀性及动态形成过程，这超出了传统工具的能力范围[8]、[9]、[10]。同样，体内追踪常受到侵入性样本制备（如组织切片和消化）以及分辨率不足的限制[11]、[12]、[13]、[14]，这些因素掩盖了真实的空间分布，阻碍了亚细胞层面的详细分析。此外，随着纳米微塑料（NPs）由于其更高的生物可利用性和毒性而受到越来越多的关注，对超高空间分辨率和化学特异性提出了严格要求[15]。这些方法学上的空白凸显了开发能够有效结合物理检测、空间定位和化学识别的先进成像平台的必要性。
因此，该领域正日益将基于检测的方法与先进的可视化技术相结合，以更准确地捕捉微观机制。多模态关联成像技术（整合了电子显微镜、荧光显微镜、光谱和质谱成像）的出现，弥补了单一技术的分辨率或特异性局限[13]、[16]，增强了对微塑料界结构、生态和化学特性的研究能力[17]、[18]、[19]。此外，无标记成像、组织透明化技术和微计算机断层扫描（microCT）的进步为非破坏性三维追踪微塑料提供了有力工具，覆盖了从整个生物体到亚细胞水平的范围[20]、[21]、[22]。这些创新共同提供了必要的时空和化学分辨率，有助于区分微塑料信号与生物背景，从而更详细地阐释结构观察结果与生态和毒理效应之间的关系。
尽管现有文献主要集中在单一成像模式或孤立的分析场景上，但本文构建了一个跨媒体的综合框架，旨在弥合微塑料在微塑料界中的环境特性与其在生物体内迁移过程中的生物学命运之间的知识差距。我们根据具体研究目标对成像技术进行了分类，涵盖了多尺度形态学分辨率到原位化学识别等应用。通过评估分辨率、通量和化学特异性之间的持续权衡，提出了一个将预测性AI模型与多模态成像相结合的概念框架，全面评估了当前的技术潜力及存在的瓶颈。最终，本文既为微塑料成像提供了综合性参考，也为在机制研究和监管风险评估中应用高精度成像提供了战略指导。
部分摘录
微塑料研究中的关键科学问题与成像技术需求
要理解微塑料的环境归趋和健康风险，需要从简单的识别转向机制性的可视化。本节明确了需要先进成像技术的核心科学问题，为第3节“解码微塑料界微生物生态的成像策略”和第4节“追踪和阐明微塑料在生物体内的行为”中的技术评估提供了方向[图1]。对各成像技术的详细定量比较包括……界面结构与形态的可视化
可视化界面结构和形态对于解析微塑料界的微生物生态至关重要[图2A]。光学成像因其操作简便性和快速的空间数据采集能力而成为基础方法。在宏观尺度上，立体光学显微镜用于初步观察生物膜的分布，为后续的详细分析提供位置参考[9]。数字成像分析使用Amscope相机……追踪和阐明微塑料在生物体内的行为
在生物体内追踪微塑料面临独特的成像挑战：必须在复杂的自荧光生物背景下检测微塑料，同时需在三维组织中对其进行定位且不造成破坏，并理想情况下能够动态监测其运动规律。为系统解决这些挑战，本节提出了一个从宏观尺度映射到分子尺度机制的多模态成像框架……常见的成像误差与验证策略
成像技术对于研究微塑料界的微生物生态及其在生物系统中的行为至关重要。然而，每种成像方法都可能受到样本制备、数据采集或后处理过程中产生的特定误差的影响，这些误差可能削弱实验结论的可靠性。本小节概述了主要成像方法中常见的误差类型，并评估了旨在提高方法严谨性的验证策略。荧光成像
结论
本文系统评估了当前微塑料研究的成像技术现状，涵盖了从微塑料界的复杂微生物界面到生物体内的复杂生物途径。综合证据表明，研究范式正在从静态的单一参数观察向动态的多维度表征转变。虽然传统光学和电子显微镜仍具有基础性作用，但未来……
CRediT作者贡献声明
崔红阳：指导。 何宇航：数据分析。 穆光丽：撰写 – 审稿与编辑。 崔盼盼：指导。 赵振华：数据分析。 徐梦欣：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、实验设计。 童印东：撰写 – 审稿与编辑、指导、项目管理。 崔晓宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、指导、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U24A20640、42507629、42377399）和西藏自治区科学技术计划（项目编号：XZ202501ZY0072、XZ2024032Y0031、XZ202301ZY0021G、XZ202501ZY0015）的资助。童印东博士还获得了西藏大学杰出教授项目的资助。
