《Environmental Technology & Innovation》：Indoor Air Filters as Microplastics Reservoirs: Laser Direct Infrared Imaging Reveals Polymer-Specific Retention and Secondary Emission Risks
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摘要
室内空气中的微塑料（MPs）对健康构成新兴风险，然而其在过滤系统上的累积动态仍缺乏定量研究。研究人员采用激光直接红外成像技术，对使用年限≥3年的住宅空气过滤器中的微塑料（丰度、聚合物组成、粒径）进行了表征。光谱解卷积有效区分了材料来源的微塑料与空气中颗粒
摘要
室内空气中的微塑料（MPs）对健康构成新兴风险，然而其在过滤系统上的累积动态仍缺乏定量研究。研究人员采用激光直接红外成像技术，对使用年限≥3年的住宅空气过滤器中的微塑料（丰度、聚合物组成、粒径）进行了表征。光谱解卷积有效区分了材料来源的微塑料与空气中颗粒物。卧室纱窗显示出峰值微塑料负载量（3.71 × 10?颗粒/克；其中34.5%为丙烯腈-丁二烯共聚物），而风扇叶片则富集了聚丙烯酰胺（87.1%，2.63 × 10?颗粒/克）。空调过滤器截留了45.0%的聚乙烯，但出口处微塑料减少了45.7%，光谱证据表明存在过滤器来源的聚酰胺（PA）。主成分分析证实了微塑料的双重来源：空气传播（异质光谱）与材料降解，PA和聚四氟乙烯（PTFE）的聚类簇为此提供了证据。本研究重新定义了室内过滤器——其不仅是微塑料的汇，更是活跃的微塑料源，凸显了创新设计以减轻二次污染及相关健康风险的迫切需求。
论文解读文章
**研究背景与科学问题**
塑料制品的广泛应用已使全球年产量超过3.48亿吨，从日常包装材料（如聚乙烯PE、聚苯乙烯PS）到工业专用材料（如聚丙烯酰胺PAM）均在其中。然而，废料管理系统的不足导致合成聚合物大量释放到环境中，通过材料降解生成微塑料（MPs）。微塑料已被证实与氧化应激、炎症及生殖毒性等健康危害相关，呼吸暴露更与社区获得性肺炎风险升高、气道阻力增加及肺功能损伤存在关联。尽管海洋和陆地环境中的微塑料污染已获广泛关注，但人类超过90%时间所处的室内环境中，微塑料的长期沉积动态几乎未知。现有研究主要聚焦于室内灰尘，而对过滤系统——这一被称为室内环境"人工肺"的关键界面——的微塑料蓄积能力及二次释放风险缺乏系统量化。传统的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱技术在分析风化微塑料颗粒时面临参考谱库差异、处理通量低（每小时少于50个颗粒）等局限。激光直接红外成像（LDIR）技术凭借无损检测、自动化颗粒识别与预扫描减少假阳性、同步量化聚合物类型-粒径分布-形貌等优势，为突破上述瓶颈提供了技术方案。本研究首次将LDIR应用于室内空气过滤器分析，旨在揭示不同过滤界面（纱窗、风扇叶片、空调过滤器）的微塑料累积特征与来源归趋，并评估过滤器作为潜在二次微塑料排放源的风险。
**研究方法概述**
研究人员采用分层采样策略，在私人住宅和学生宿舍两类环境中采集了五份连续服役不少于三年、未经更换或专业清洁的过滤器样本（含卧室纱窗、卧室空调过滤器、客厅风扇叶片、宿舍空调进风口与出风口过滤器），并采用基于Fang等人方法改进的两阶段氧化消解协议提取微塑料：第一阶段使用10% HCl（v/v）在50°C、120 rpm条件下振荡48小时以去除碳酸钙和金属氧化物等无机干扰物，第二阶段以HCl-H?O?混合液（1:1 v/v）处理48小时以降解天然有机物。经不锈钢滤膜（SSF，5 μm孔径）和10 μm滤膜逐级过滤后，样品在70%乙醇中超声脱附（Branson 5800，40 kHz，30分钟），离心后重悬于200 μL乙醇中制备分析载片。微塑料定性与定量采用Agilent 8700 LDIR成像系统，首先在1800 cm?1处进行预扫描（10 μm空间分辨率），继而在900-1800 cm?1范围采集光谱（4 cm?1光谱分辨率），通过Clarity软件（v1.5.58）与Agilent Polymers Library v2.0进行自动谱库匹配，阳性鉴定阈值设定为相似度≥60%。质量保证/质量控制（QA/QC）方案包括程序空白（每批次n=3）、材料对照、环境控制（棉质实验服、丁腈手套、关闭HVAC系统）、分析重复（10%随机样本三次测量）及严格玻璃器皿清洗程序。空调过滤器截留率依据公式计算：截留率(%) = (1 - C出口/C入口) × 100%。
**研究结果**
**3.1 卧室过滤器表征与来源解析**
**3.1.1 纱窗沉积物中微塑料的表征与来源解析**
卧室纱窗作为室内外空气交换的关键界面，LDIR分析显示煤源颗粒占沉积物总量59.42%，与安徽地区燃煤发电导致的长距离燃烧副产物大气传输相符。定量分析揭示微塑料浓度达3.71 × 10?颗粒/克，超出典型室内灰尘水平2-3个数量级，表明纱窗可能是城市室内微塑料污染最严重的表面。这一现象归因于三年以上的持续累积周期以及纱窗结构的高比表面积和静电相互作用增强的截留效率。聚合物指纹鉴定出三种主要微塑料类型：丙烯腈-丁二烯（AB，34.5%，源于消费品塑料降解及紫外诱导CN键断裂）、氯化聚异戊二烯（CPI，15.9%）和聚酰胺（PA，15.6%）。粒径分析显示10-30 μm细颗粒占36.7%，与轻质颗粒大气传输模型一致。材料老化测试与对照实验清楚区分了AB/CPI丰富组分的外部来源与PA的潜在材料贡献，揭示了纱窗在室内微塑料动态循环中的双重角色——既有物理屏障作用又是材料源性颗粒的持续释放者。
**3.1.2 风扇叶片沉积物中微塑料的表征**
动态过滤装置风扇叶片的微塑料富集特征显著区别于静态纱窗，微塑料占沉积物总量92.0%，丰度为2.63 × 10?颗粒/克。聚丙烯酰胺（PAM）占微塑料组分的87.1%，其主导地位归因于高速旋转产生的静电吸附效应（阴离子型PAM易获得表面电荷被优先吸附）及PAM在废水处理、纺织和造纸中的广泛使用。粒径分析表明52.0%的微塑料处于10-30 μm范围，该粒径级在风扇运行时易于再悬浮进入呼吸带。由于采样风扇叶片为金属材质，排除了叶片材料本身作为微塑料来源的可能性，确认PAM为气载颗粒物经静电阻截的产物。虽然PAM本身无毒，但其合成工艺残留的丙烯酰胺单体是已知的神经毒物和可疑致癌物。
**3.1.3 空调过滤器沉积物中微塑料的表征与来源解析**
全年连续运行的卧室空调过滤器显示纤维素类物质占沉积物47.1%，微塑料占42.46%（丰度3.18 × 10?颗粒/克）。聚合物分析揭示聚乙烯（PE，45.0%）为最优势聚合物，其次为聚氨酯（PU，26.4%）、聚四氟乙烯（PTFE，9.4%）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，4.4%）。空调过滤器表现出对小颗粒的优越截留能力，62.9%的微塑料处于10-30 μm范围，仅13.1%超过100 μm。三种过滤类型间微塑料组分差异（空调富集PE和PU、风扇选择性吸附PAM、纱窗有效截留AB/CPI/PA）凸显了设备特异性孔结构和表面特性对微塑料吸附空间异质性的决定性影响。结合COVID-19疫情期间室内高占用率背景，本研究的长期沉积数据与Bhat（2024）报道的室内微塑料浓度12.03–18.51 MPs/m3和每日吸入量156–240 MPs/人具有聚合物谱系一致性（PA、PE），为特殊时期室内微塑料污染动态提供了佐证。
**3.2 宿舍空调系统微塑料比较分析与来源归趋**
**3.2.1 宿舍空调系统微塑料比较分析**
宿舍空调过滤器总颗粒丰度超过卧室样本，但微塑料仅占19%，归因于高人口密度和频繁清洁活动产生的纤维素、土壤灰尘及清洁布纤维等非微塑料颗粒的大量贡献。进风口至出风口微塑料丰度由2.65 × 10?颗粒/克降至1.44 × 10?颗粒/克，对应45.7%的过滤效率，符合ASHRAE标准；而纤维素类物质在两侧浓度一致，表明对纤维材料过滤效果有限。进、出风口聚合物类型相似（PE、PU、PAM、PET），但聚碳酸酯（PC）和橡胶的相对丰度在出风口增加，可能源于内部磨损或外部输入。微塑料浓度梯度证明系统具备部分截留能力，同时引发累积微塑料可能被再释放进入气流、使空调系统成为二次排放源的担忧——Chen等人（2022）的实验证据支持这一机制。
**3.2.2 空调系统微塑料来源归趋**
将过滤器沉积物组成与过滤器材料本身进行对比，关键发现为过滤器材料中PA浓度显著高于沉积物。PA作为过滤器粘合剂的主要组分，其材料剖面中的显著存在与在沉积微塑料中的检出表明，系统内的运行摩擦和湍流持续磨损粘合剂材料，导致含PA微塑料释放进入气流。主成分分析（PCA）结果进一步证实了这一双重角色：过滤器材料因高光谱均质性在PCA空间呈紧密聚类（以PA和PTFE特征为主），而沉积颗粒则更异质且分布更广。关键的是，沉积物聚类与过滤器材料聚类存在部分重叠，经95%置信区间（Hotelling's T2）验证，证实沉积微塑料来源于外部气载颗粒与内部材料降解碎片的组合。
**讨论与结论**
本研究系统证实了室内空气过滤系统（空调过滤器、风扇、纱窗）作为微塑料重要汇聚与富集载体的角色，填补了室内环境研究的关键空白。过滤器富集的微塑料可被再释放进入室内空气，构成人体吸入暴露的潜在途径。这一发现要求重新评估设备性能标准——从单纯关注过滤效率扩展到材料耐久性和二次污染潜能。研究人员建议住宅可重复使用过滤器每季度检查与清洁一次，高使用率环境应提高清洁频率。需要指出的是，采样期间恰逢低使用时段，数据可能未完全捕捉高负荷季节的动态模式。未来研究应整合运行模式和保养频率，建立系统监测框架，并纳入季节等动态环境变量与毒理学数据，以完善微塑料风险评价体系。论文发表于《Environmental Technology》。
