《Environmental Pollution》：Quantifying Micro- and Nanoplastics in Blood, Urine, and Soft Tissues Using Optimized Cascaded Microfiltration and Pyrolysis-GC/MS for Exposomic Investigations
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Un-Jung Kim | Maryam Ghalamkari | Paloma Alvarez | Amanda Lee | Jenny Kim Nguyen
德克萨斯大学阿灵顿分校（UTA）理学院地球与环境科学系
摘要
微塑料（1 μm–5 mm）和纳米塑料（< 1 μm
Un-Jung Kim | Maryam Ghalamkari | Paloma Alvarez | Amanda Lee | Jenny Kim Nguyen
德克萨斯大学阿灵顿分校（UTA）理学院地球与环境科学系
摘要
微塑料（1 μm–5 mm）和纳米塑料（< 1 μm）是由较大塑料材料通过热降解、光化学降解和机械降解产生的。由于塑料废物的广泛使用和随意处置，微塑料和纳米塑料在空气、水、土壤和食物中普遍存在，这引发了人们对长期暴露及其潜在健康影响的日益关注。已在多个营养级和超过1000种物种中检测到微塑料和纳米塑料，表明它们具有广泛的生物累积性。最近的研究还在多种人体组织和体液中检测到了微塑料和纳米塑料，表明它们可以被吸收、循环并排出体外。虽然拉曼光谱、μ-FTIR和LD-IR等光谱和显微技术提高了微塑料和纳米塑料的表征能力，但它们在环境暴露组学研究中的应用受到聚合物特异性限制、假阳性风险以及在复杂生物基质中灵敏度降低的制约，尤其是对于亚微米颗粒。在这项研究中，我们验证并应用了一种级联微滤（1.2 μm然后0.7 μm孔径）结合热解-气相色谱质谱（Py-GC/MS）的方法，能够同时定量各种生物样本中的微塑料（PS、PC、PMMA、PET、PVC、PP），从而便于进行暴露评估。该方法通过基质匹配校准和严格的质量控制（MQLs 0.04–1.42 μg/mL）来减少背景污染和假阳性信号。应用于实际样本（每种20份人血/鲨鱼血；海豚体液/组织）后，我们发现人血中的总微塑料浓度中位数为0.80 μg/mL（PET检出率为100%，PS/PVC占主导），鲨鱼血中的浓度为2.74 μg/mL（PVC占主导，是人类的3倍以上）。通过尺寸范围比较，我们观察到所有基质中都存在0.7–1.2 μm的微塑料，不同类型的体液中占比为74–99%，这表明较小的微塑料可能被分配到细胞组分中。这项工作建立了一种经过验证的、适用于跨物种的微塑料定量方法，能够在液体和固体生物基质中实现高灵敏度和低污染水平的定量。
引言
全球每年对塑料的需求持续增加，目前达到了4.71亿吨，从而导致塑料废物和污染的增加（Advanced Strategies for Biodegradation of Plastic Polymers，2024）。术语“微塑料（MPs）”首次出现在21世纪初，并由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）进一步定义，指的是“直径<5 mm”的塑料颗粒，具有多样的聚合物组成、形状和物理化学性质（khanna等人，2024；Microplastics in Terrestrial Environments，2020）。用于商业用途的初级微塑料（例如微珠、颗粒、纤维和粉末）可以直接从制造过程的原材料进入环境，或者通过商业产品的运输或使用进入环境（Parrilla-Lahoz等人，2022；Ratnayake等人，2024）。这些初级微塑料或环境中的较大塑料碎片可以通过物理、化学和生物风化作用分解成更小的微塑料和纳米塑料（MNPs）（Mohana等人，2021；Sutkar等人，2023）。微塑料已在海洋和陆地环境中被检测到（Campanale等人，2022；Jeong等人，2024；Jiang等人，2020），并且越来越多的证据表明它们对环境和健康有连锁影响（Caputi等人，2022；Roursgaard等人，2022），部分原因是由于它们吸附或嵌入了令人担忧的塑料添加剂和共存化学物质（CECs）。
微塑料由碳和氢基聚合物链组成，通常含有阻燃剂、紫外线过滤剂和增塑剂等添加剂（Ratnayake等人，2024），这些添加剂可能具有致癌、干扰内分泌系统和影响生殖的能力（Alijagic等人，2024；Belmaker等人，2024；Li等人，2024；Ullah等人，2023）。随着微塑料尺寸的减小，其表面积增加，形成了一个新兴的领域——“微塑料圈”（Bhagat等人，2022；Kek等人，2024；Uber等人，2019），这可以改变共存化学物质的环境命运和传输方式，并成为人类和野生动物暴露的媒介（Tumwesigye等人，2023）。尽管已经提出了多种检测方法，如光谱学、热分析和化学检测方法来检测微塑料（Elert等人，2017；Issaka等人，2023；Ivleva，2021），但在复杂的生物基质中检测微塑料仍然具有挑战性，原因包括缺乏标准化方法、聚合物类型和尺寸的多样性、生物样本组成的个体差异以及来自天然来源的单体或内源性化合物的背景信号。傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）、μ-FTIR、拉曼显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和激光直接红外光谱（LD-IR）等光谱和显微方法已被用于识别和表征环境及生物样本中的微塑料（通常>1–20 μm），以及它们的形状、表面变化和颜色特征（Mukotaka等人，2021；Nguyen等人，2021；Shi等人，2022）。尽管这些方法有效，但它们受到基质干扰、在复杂组织中灵敏度降低、需要从丰度转换为浓度以及无法可靠检测小于约20 μm的颗粒的限制，这可能导致假阳性和假阴性结果。由于生物样本中的微塑料预计主要是较小尺寸的，包括纳米级颗粒，因此需要使用热解-气相色谱质谱（Py-GC/MS）等热分析技术来实现特定于聚合物且与尺寸无关的定量（Garcia等人，2024；Merrill等人，2023；Rauert等人，2025）。
章节片段
标准和试剂
所有化学品和试剂均为分析级。Tris（羟甲基）氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液（Tris-HCl，400 mM，pH 8，0.5% SDS）、四甲基氢氧化铵（TMAH）和蛋白酶K（冻干粉末）购自Millipore-Sigma（美国马萨诸塞州伯灵顿）。氯化钙、过氧化氢（30%）、农药级丙酮（95%）、正己烷、二氯甲烷（DCM）和甲醇（99%，LC/MS级）购自Fisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。玻璃培养皿
不确定性因素和方案可行性测试设计
我们分析了基于文献的风险因素，并设计了优化后的微滤和随后进行Py-GC/MS分析的可行性测试条件（Ainali等人，2021；Azeem等人，2023；Blancho等人，2021；Gomiero等人，2021；Jing等人，2025；Lee等人，2023；Picó & Barceló，2020；Primpke等人，2020；Rauert等人，2025；Rauert等人，2022；Ribeiro等人，2020；Sullivan等人，2020；Zhang等人，2020；Zhao等人，2023）。使用全球
总结
在这项研究中，我们优化了一个基于级联微滤和热解-气相色谱质谱（Py-GC/MS）的工作流程，用于分析多种生物样本中七种环境丰富的微塑料聚合物，使用了针对特定类型聚合物的代表性标记化合物。我们定量了六种微塑料聚合物（参见PE的半定量），并表征了它们在血液、尿液和软组织中的寡聚体谱型。该方法已通过同时识别和
CRediT作者贡献声明
Jenny Kim Nguyen： 验证、软件、数据管理。Un-Jung Kim： 写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目协调、方法学研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Paloma Alvarez： 验证、软件、方法学研究、数据管理。Maryam Ghalamkari： 写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学研究、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了美国花卉基金会和乔治亚水族馆研究资助（Research Enhancement Program - REP-2023-605）以及德克萨斯大学阿灵顿分校的跨学科研究计划（IRP-2025-1027）的支持。我们感谢Lisa Hoopes博士、Abigail Kimbrel女士（乔治亚水族馆）、Patricia Fair博士（前NOAA科学家）、Carrie Hubard（NOAA渔业部门）和Jia Chen（Peri Bank）在提供帮助方面的支持
