综述：基于质谱的微塑料和纳米塑料分析中的工作流依赖性观测量：对可比性和标准化的影响

《Environmental Pollution》：Workflow-dependent observables in mass spectrometry–based micro- and nanoplastic analysis: Implications for comparability and harmonization

　　

**摘要**

微塑料和纳米塑料（MNP）的测量越来越多地用于评估环境中的存在情况及生物暴露水平，然而分析输出与聚合物材料原始物理形态之间的关系在不同的分析工作流中缺乏一致的界定。在此，我们将基于质谱的MNP测量重新框定为依赖于工作流的观测变量，而非颗粒丰度的直接度量。我们表明，分析工作流根据在化学分析前是否保留颗粒结构，将异质性样本划分为两个不同的测量域。包含结构保留操作的流程（例如，经尺寸或密度分级后接热解–气相色谱–质谱联用）会产生颗粒分辨–化学（PRC）输出，这些输出与确定的颗粒子集相关联；而结构塌缩式转化（例如，萃取、热脱附或整体热解）则产生与原始颗粒身份无关的化学集成信号。这些域编码了根本不同的信息，且彼此之间不可逆：多个物理上不同的颗粒体系可以产生无法区分的化学集成输出。这种不可逆性源于工作流架构而非仪器不确定性，从而限制了聚合物来源测量值在环境和生物基质之间的直接比较。为形式化这一区分，我们引入"聚合物相关化学信号"（PACS）作为由化学集成工作流产生的输出的操作描述符。PACS将转化衍生的化学信号与颗粒分辨测量区分开来，并在不赋予颗粒特定属性的前提下界定了化学集成数据的推断范围。将分析输出视为依赖于工作流的观测变量，将协调工作从仅标准化分析性能转变为认识由工作流定义的分析观测变量，为基于质谱的MNP测量的工作流感知报告、证据综合和监管解释提供了概念基础。

**引言**

微塑料和纳米塑料（MNP）目前已常规性地在全环境和生物系统中被报告，包括空气、水、土壤、沉积物、食品、野生动物和人体组织（Dube和Okuthe, 2023；Kochanek等, 2025；Wen等, 2024）。随着证据基础的扩展，这些测量日益支撑着暴露评估、环境监测、元分析和监管决策。因此，其可解释性不仅取决于分析灵敏度，还取决于不同的分析工作流是否测量的是同一底层环境观测变量。

基于质谱的技术已成为MNP分析的核心，因为它们提供了高化学特异性、广泛的聚合物覆盖范围以及在多种基质中的适用性（Ivleva, 2021；Dümichen等, 2017；Okoffo和Thomas, 2024）。随着这些方法的多样化发展，结合不同制备、分离、萃取、消解、分级和检测策略的工作流不断涌现（表1）。尽管其输出常以相同的浓度单位报告，但底层的分析操作差异显著。

这种多样化反映了该领域的历史演变。早期研究侧重于聚合物鉴定和分析灵敏度，隐含地将聚合物来源信号视为无论工作流设计如何均等价的信号（Fries等, 2013；Fischer和Scholz-B?ttcher, 2017；Dümichen等, 2017, 2019；Primpke等, 2018）。随着方法扩展到日益复杂的环境和生物基质，样品制备和化学转化方面的差异被承认为方法学变量（Ivleva, 2021；Cowger等, 2020；Silva等, 2018；Lou等, 2022），而它们对结果观测变量性质的影响在很大程度上仍未得到考察。与 Small molecule analysis 不同，聚合物分析始于一种物理组织未被最终信号化学编码的结构异质性材料。因此，工作流之间的差异不仅体现在分析性能上，还体现在关于原始颗粒体系所保留的信息上（Ivleva, 2021；Cowger等, 2020；Hidalgo-Ruz等, 2012；Silva等, 2018）。

可比的样品经常在经验证的分析程序下产生不同的聚合物浓度（Yang等, 2024；Zhao等, 2025）。此类差异通常归因于污染、回收率、基质效应、检测限或分析标准化不完善（Cui等, 2022；Gqomfa等, 2025）。因此，大量工作致力于改进质量保证、参考材料、污染控制、报告指南和协调的分析方案（Koelmans等, 2019；Tsochatzis等, 2024）。这些进展大大提高了分析可靠性，但很大程度上假定由不同工作流产生的测量值在控制方法偏差后即代表等价的观测变量。工作流架构本身是否决定了观测变量这一问题所得到的关注相对较少。

这种向认识工作流依赖性观测变量的转变在其他分析学科中也已发生。在组学领域，bulk和single-cell分析最初被视为回答同一生物学问题的替代方案，直到人们认识到bulk测量对细胞异质性进行了平均，从而掩盖了机制上重要的信息（Tang等, 2009；Wang和Navin, 2015；Svensson等, 2018）。类似地，气溶胶科学区分ensemble和single-particle测量，因为它们编码了关于颗粒组成、混合状态和排放源的根本不同的信息（Murphy, 2007；Riemer等, 2019）。在这两个领域中，分析工作流都被认识到决定了测量所产生观测变量的类别，而不仅仅是表示替代的分析方法。类似的概念转变在基于质谱的MNP分析中尚未发生。

在此，我们认为基于质谱的工作流根据颗粒结构是否在操作层面与最终化学测量保持关联，产生两个表征域。包含上游结构保留操作（如尺寸或密度分级）的工作流保留了与确定颗粒子集相关的信息。相比之下，依赖于整体化学或热转化工作流产生化学集成测量，在此类测量中原始颗粒身份已不可恢复。这一区分并非强加于现有方法之上，而是从许多已报告的解析不一致性的共同结构属性中涌现——即在化学检测前颗粒信息是被保留还是被塌缩。

为区分化学集成测量，我们引入"聚合物相关化学信号"（PACS）作为操作报告描述符。PACS不定义新的分析物或分析方法；而是识别一类依赖于工作流的观测变量，其解释受先前结构塌缩的约束。据此，本综述综合了这些表征域的分析基础，发展了一套操作性的工作流分类框架，并讨论了其对协调、证据综合、暴露评估以及基于质谱的MNP测量的未来标准化的影响。

**章节摘要**

*微塑料和纳米塑料分析中已记录的解释歧义来源*

多项研究表明，MNP的分析测量并不总是唯一对应颗粒塑料的物理存在。在分析化学、材料科学和毒理学领域，当聚合物相关信号源自化学上或操作上不相同的来源且未被常用工作流分辨时，这些歧义便会产生（Leslie等, 2022；Zimmermann等, 2019）。尽管这些观察结果通常作为独立的分析工作流作为解释歧义的结构来源来讨论，但第2节所述的歧义并非仅源于化学假象或仪器特异性局限。它反映了分析工作流的结构，这些工作流将异质性样品转化为编码同一材料体系不同方面的不同测量域（表1）。因此，微塑料和纳米塑料分析可以理解为一种依赖于工作流的划分问题，即一个异质性样品被映射为不等价的观测变量。

*微塑料和纳米塑料分析中的表征路径*

MNP的分析工作流被应用于多种环境和生物基质，每种基质具有不同的物理和化学约束条件（Ivleva, 2021；Santos等, 2025）。尽管这些系统在组成和采样背景上存在差异，但它们共享一个共同的分析特征：工作流设计决定了在检测前颗粒结构是被保留还是被塌缩。因此，基质特异性歧义通常代表同一问题的不同表现形式。

*聚合物相关化学信号（PACS）作为操作描述符*

如第4节所述并在补充信息（第S1–S2节）中形式化，应用于聚合物来源的环境或生物样品的分析工作流可能不一定在化学检测前的操作序列中保持颗粒结构。当不满足结构保留条件时，所得测量不能在一个颗粒分辨的框架内解释。虽然底层的测量区分并不新颖，但该领域尚未……

*对全球综合和标准化工作的影响*

双流分析结构对MNP数据集在研究间的可比性和聚合性构成了根本性约束。全球综合分析通常将报告的浓度视为一个共同环境变量的实现（Zielli等, 2026；Ren等, 2026）；然而，这些数值是在由工作流拓扑而非仅由测量单位定义的解析上不同的表征域内产生的。因此，相同的单位并不必然代表……

**结论与未来展望**

用于MNP的基于质谱的工作流并不直接测量颗粒材料；它们将含有异质性聚合物的系统转化为解析上定义明确的输出。本综述认为，常用的基于质谱的工作流产生两个不同的表征域：颗粒分辨–化学流，其中结构属性通过上游分离得以保留；以及化学集成流，其中颗粒身份被塌缩为……

**CRediT作者贡献声明**

V.C. Shruti：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，方法论，调查研究，形式化分析，概念化。Gurusamy Kutralam-Muniasamy博士：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，方法论，调查研究，形式化分析，概念化。

**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**

声明：在本作品准备过程中，作者使用ChatGPT协助提供文本建议以改善可读性和写作风格，并为图形摘要、图1、图2构思视觉元素。Krita用于图像精修。在使用这些工具之后，作者审阅并编辑了所有必要的内容，并对最终发表承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

GKM感谢CONACYT墨西哥博士后驻地计划EPM(1) 2024、SECIHTI、CVU 351578的支持。VCS感谢SECIHTI和国家科学与技术委员会（CBF-2025-I-782）的财政支持。作者感谢M. En. C. Jonathan Flores Hernandez在稿件准备期间就本课题进行的宝贵讨论。

V.C. Shruti | Gurusamy Kutralam-Muniasamy
第49实验室，新兴污染物，生物技术与生物工程系，墨西哥理工学院墨西哥国立理工学院研究中心，墨西哥城瓜达卢佩·A·马德罗区圣佩德罗萨卡滕科，国立理工学院大道2508号，邮编07360，墨西哥城，墨西哥