《Journal of Hazardous Materials》：Native-state monitoring of nanoplastic corona dynamics and their mitigating role in ecotoxicity using an integrated hollow fiber flow field-flow fractionation platform
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•一种HF5-UV/PD-OES平台实现了纳米塑料冠层的原位分离与定量分析。•深度学习光谱指纹可准确识别冠层类型，准确率高达98.67%。•冠层的形成随时间和天然有机物浓度呈动态演化。•冠层充当保护性界面屏障，缓解纳米塑料的生态毒性和活性氧生成。引言环境中的塑料碎屑和微塑料在
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一种HF5-UV/PD-OES平台实现了纳米塑料冠层的原位分离与定量分析。
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深度学习光谱指纹可准确识别冠层类型，准确率高达98.67%。
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冠层的形成随时间和天然有机物浓度呈动态演化。
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冠层充当保护性界面屏障，缓解纳米塑料的生态毒性和活性氧生成。
引言
环境中的塑料碎屑和微塑料在机械磨损、光降解和生物活性驱动下经历渐进式破碎，最终在生态系统中产生无处不在的纳米塑料（NPs）负担 [1]，[2]。NPs已被公认为大气、陆地和水生环境中的普遍污染物 [3]，[4]。然而，在复杂的环境基质中，NPs很少保持惰性。其表面作为动态界面，通过静电作用、疏水力和氢键迅速吸附周围的有机分子 [5]，[6]。这种自发的吸附形成了一种复合"生态冠层"，重塑了NPs的表面特性，从而决定了其环境行为、迁移性以及最终的生物影响 [7]，[8]，[9]。当前的生态风险评估主要关注原始的、未包覆的NPs，未能反映其在自然环境中的真实状态。迫切需要研究从"理想化"颗粒转向环境转化后的NPs。天然有机物（NOM）在介导这些界面转化中发挥关键作用。NOM是腐殖质（如腐殖酸和富里酸）和生物分子（如蛋白质、碳水化合物）的广泛而复杂的混合物，给系统引入了显著的非均质性 [10]。值得注意的是，生物源分子和非生物分子在结合行为和冠层形成机制方面往往表现出显著差异 [11]。因此，阐明不同冠层的动态形成对于准确可靠地评估NPs的生态风险至关重要。
根据结合亲和力，吸附的NOM层在概念上分为紧密结合的"硬"冠层和更具动态性的松散结合的"软"冠层 [12]。普遍认为，生物源蛋白质和非生物腐殖质均可形成这种双层结构。然而，阐明其具体组成和功能作用仍然是一个分析挑战。传统的分离方法，如离心，缺乏有效从游离NOM或异聚体中分离冠层包覆NPs的选择性 [13]。此外，所涉及的高剪切力会剥离脆弱的软冠层，扭曲其天然结构，从而无法准确进行天然态表征。虽然高级技术如生物层干涉法可以实现吸附动力学的实时监测 [14]，但通常涉及耗时且复杂的操作程序。显微技术如扫描电子显微镜可以可视化冠层结构 [15]。然而，其应用常因苛刻的样品制备和束流诱导的结构损伤风险而受限，这削弱了可靠区分不同类型冠层的能力。因此，缺乏稳健、非侵入性的分析工具阻碍了对冠层形成如何调节NPs生态毒性的直接评估。
场流分级（FFF）作为一种前景广阔的温和尺寸分离技术已崭露头角，其操作无需固定相 [16]，[17]。FFF最大限度地减小了剪切力，从而有效保持硬冠层和软冠层的结构完整性。不对称流FFF（AF4）已证明在隔离纳米颗粒同时保留其软冠层方面有效，验证了此分级策略的可行性 [18]，[19]，[20]，[21]。与AF4的平板通道相比，HF5施加的剪切力更低，这对于维持软冠层的结构完整性至关重要。此外，其高的表面积-体积比提供了优越的在线基质纯化能力，可高效去除未结合的分子，而使用低成本中空纤维则显著减少了样品吸附和交叉污染。具体而言，即使在处理复杂环境样品时，HF5也能表现出令人满意的分析回收率（70.7–108%）[22]。此外，HF5具有广泛的分离范围和与高灵敏度检测器卓越的兼容性 [23]，[24]。在先前工作中，我们成功将HF5与电感耦合等离子体质谱法联用，证实了柠檬酸包覆银纳米颗粒上的NOM冠层形成，彰显了其探测冠层动态的潜力 [25]。补充这种稳健的分离能力，准确的定量分析同样至关重要。NPs固有的碳骨架结构使总有机碳（TOC）分析成为一种稳健、通用的定量策略 [26]。然而，传统的元素分析方法，如电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），在直接碳检测方面存在困难。具体而言，碳的高电离能和显著的背景干扰导致检测限较差，无法用于碳特异性定量 [27]。此外，传统的TOC分析仪主要局限于实验室应用，常存在仪器体积大、操作复杂、程序耗时、氧化效率低和灵敏度不足等问题 [28]。点放电光发射光谱法（PD-OES）作为一种有吸引力的替代方案应运而生，具有低工作温度、低能耗、仪器结构简单以及天生适用于现场微量碳分析的优势 [29]。我们之前已验证PD-OES结合光诱导化学气相生成技术用于定量氧化石墨烯 [30]和PSNPs [31]等碳质纳米材料。此外，最新进展表明，将PD-OES光谱指纹与机器学习相结合可以实现对多种聚合物材料的准确识别 [32]。因此，HF5与PD-OES的整合有望克服当前的方法学瓶颈，建立一个强大的平台，实现对纳米颗粒冠层的同时分离、定量和识别，从而更准确地评估其环境行为和生态风险。
在此，为了全面阐明纳米塑料的环境行为和动态表面转化，我们利用新整合的在线HF5-UV/PD-OES平台研究了模型聚苯乙烯纳米颗粒（PSNPs）上的冠层形成。我们在双分散体系中（50 nm和100 nm PSNPs）与牛血清白蛋白（BSA）和富里酸（FA）相互作用的情况下研究了冠层形成动力学，分别代表生物源和非生物冠层。具体而言，FA是一种在水生生态系统中无处不在的高代表性非生物大分子，被广泛用于评估纳米材料与NOM的相互作用 [11]，[33]。同时，为表征天然水体中微生物胞外聚合物的生物活性蛋白组分，BSA被作为公认的生物源模型使用 [6]，[34]，[35]。由于其结构完全解析且稳定性好，使用这些单组分模型有助于精确追踪基本的冠层结合行为，而不受未表征有机混合物的干扰。通过监测流体力学尺寸和碳特异性信号的变化，我们阐明了冠层形成的时间演化，并区分了不同粒径和BSA/FA浓度下的结合行为。此外，PD-OES光谱指纹与深度学习模型的整合实现了快速、自动化的冠层鉴别。关键在于，通过利用HF5的温和分离和在线纯化能力消除游离生物分子的干扰，我们得以评估PSNPs携带完整硬冠层和软冠层时对大草履虫（T. thermophila）的真实、不受干扰的生态毒性，这是一种连接微生物环和高等水生食物网的真核模式生物 [36]。总体而言，本工作为理解表面冠层转化如何调控NPs的环境归趋和生态风险提供了新的技术见解和理论基础。
章节摘要
化学试剂与材料
标称直径分别为50 nm和100 nm的PSNPs储备悬液购自赛默飞世尔科技公司（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。TEM图像显示，两种粒径的PSNPs均呈现规则的球形，实测直径与制造商提供数据一致（图S1A，B）。流体力学直径测定结果为：50 nm PSNPs为59.32 nm，100 nm PSNPs为101.41 nm（图S1C，D）。Zeta电位和多分散指数（PDI）为
通过HF5-UV/PD-OES和深度学习识别PSNPs上的冠层形成
HF5基于流体力学尺寸分离纳米颗粒，洗脱时间随颗粒尺寸增大而延长 [18]，[42]。为评估HF5-UV系统在表征冠层形成方面的有效性，将原始的50 nm和100 nm PSNPs分别与BSA或FA孵育2 h。孵育后，两种粒径的颗粒均表现出洗脱时间显著且一致地向长方向偏移（图1A）。这表明流体力学直径增大，直接归因于吸附
结论
冠层的形成赋予了NPs新的生物学特性，因此阐明其动力学对于准确预测其环境行为至关重要。在本研究中，我们建立了一个集成的在线HF5-UV/PD-OES平台，结合深度学习，实现了对PSNPs上冠层形成的实时、无干扰监测。我们的研究结果揭示了BSA和FA冠层均经历三阶段动力学进程：快速初始吸附、动态结构重组、
环境意义
尽管本研究建立了纳米颗粒-冠层相互作用的良好机制基准，但将这些结果直接外推至复杂的真实水生生态系统需谨慎对待，并需要进一步验证。为确保初始平台开发期间的足够信噪比，使用了相对较高的NPs浓度，这与痕量级的环境现实有所偏离。此外，依赖离散时间点分析而非
CRediT作者贡献声明
李燕：写作–审阅与编辑，可视化。赵璇：软件，方法论。马岩：写作–审阅与编辑，监督，概念化。刘宏伟：可视化，方法论，调查。邢宝山：监督。邢正昌：写作–审阅与编辑，调查，形式化分析。文晓东：方法论。尹永广：监督，方法论。梁斌：监督。宋茂永：方法论。谭志强：写作–审阅与编辑，资源，方法论，
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响到本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了中国科学院（编号：XDA0540000）、国家自然科学基金委员会（编号：22241601和42477490）以及环境化学与生态毒理学国家重点实验室原创创新能力提升平台项目的资助。
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