原子光譜技術助力微／納塑料分析，AS封面文章詳解其環境行為與生物效應

在國際公認的四大新污染物（即持久性有機污染物、內分泌干擾物、抗生素、微塑料等）中，微塑料是唯一呈粒子狀態的污染物。隨著塑料產品種類和數量的指數增長，微塑料污染已發展成為一種全球性環境問題。更值得關注的是，微塑料顆粒在物理、化學、生物等作用下逐漸破碎形成粒徑小于1 μm的納塑料。大量研究證實，微/納塑料的濃度、尺寸、形貌、組成等是決定其環境行為和健康風險的重要因素，因此微/納塑料的分析表征是深入研究其環境歸趨、環境健康風險、污染治理等的重要基礎。原子光譜技術具有靈敏度高、選擇性好、抗干擾能力強、準確度高、易于普及等優點，在微/納塑料分析表征以及相關研究中顯示出巨大的應用潛力。

　　近日，中國科學院生態環境研究中心譚志強研究員和陰永光研究員等共同撰寫“基于原子光譜技術的微/納塑料分析表征、環境行為和生物效應研究進展的綜述論文”（圖1），該研究成果作為封面文章發表于國際光譜學專業期刊《Atomic Spectroscopy》 （2023, 44(5), 282–297. https://doi.org/10.46770/AS.2023.302）上。

　　圖1. 基于原子光譜的微/納塑料分析表征、環境行為和毒性生物效應研究

　　該文章檢索了近5年將原子光譜技術用于微/納塑料研究的117篇最相關的文章，經過篩選后對這些文章進行了共現分析（圖2）。利用原子光譜技術分析微/納塑料的研究主要集中在微/納塑料的識別、表征以及在不同環境介質中的遷移轉化等。共現分析結果具有以下特點:（1）隨著原子光譜技術的發展，研究對象從微塑料逐漸擴展到納塑料；（2）微/納塑料的主要研究場景由水和沉積物延伸到土壤和生物體內（特別是生物積累和毒性效應）；（3）原子光譜技術對微/納塑料的研究發展迅速，目前常用的技術包括LIBS（Laser-induced breakdown spectroscopy）、ICP-MS（Inductively coupled plasma mass spectrometry）和TOF-SIMS（Time of flight secondary ion mass spectrometry）等。

　　圖2. 原子光譜技術在微/納塑料分析中應用的共現分析

　　塑料是由碳鏈組成的聚合物，碳元素的電離勢較高，這使得采用傳統原子光譜技術直接測定實際樣品中微/納塑料的碳元素存在一定的難度。利用金屬元素修飾或標記微/納塑料顆粒，通過原子光譜技術對金屬元素進行定量可實現對實際樣品中微/納塑料的定量。該文章綜述了微/納塑料的不同標記方法，包括金屬負載、摻雜和熔融（圖3）。這種方法適用于復雜基質的環境和生物樣品，在研究微/納塑料環境行為和歸趨中具有廣泛應用。另外，這種方法也被用于研究微/納塑料對細菌、植物、動物等生長發育的影響、微/納塑料污染治理效果評估等研究中。

　　圖3. 常用微/納塑料標記方法

　　塑料制品的老化或降解是產生微/納塑料的重要途徑。使用LIBS可以識別樣品材料并同時逐層確定化學成分，用于評估塑料不同老化培養時間下的氧強度和深度（圖4）。微/納塑料具有尺寸小、比表面積大、表面能高、疏水性強等特點，易成為其他共存污染物的載體，影響它們的環境行為和歸趨。例如使用TOF-SIMS、XPS和ICP-MS可以研究微/納塑料對其他重金屬的吸附過程。

　　圖4. 原子光譜技術定量分析微/納塑料在環境中的老化行為

　　微/納塑料可以通過多種途徑進入生物體，通過原子光譜技術可以實現微/納塑料在動植物中的全方位分析。這方面的研究包括（1）微/納塑料在生物體內的吸收和代謝；（2）微/納塑料攜帶的污染物進入機體后的釋放；（3）微/納塑料在食物鏈中的生殖毒性、遺傳毒性和富集效應；（4）微/納塑料在生物體內的空間分布（圖5）。XRF能夠提供具有橫向分辨率的多元素檢測，從而了解微/納塑料吸收、運輸和存儲機制的重要信息。

　　圖5. 微/納塑料的環境和生態風險評估及毒理學效應

　　雖然原子光譜技術已在微/納塑料研究中展現出巨大的應用潛力，但仍然存在一些挑戰:（1）金屬（特別是稀有金屬）標記微/納塑料的制備成本較高，需要開發其他制備成本低、靈敏度高、選擇性好、貯存時間長的模型微/納塑料；（2）應積極開發微型原子光譜儀，適合于野外現場檢測；（3）有待開發高通量多功能分析表征系統，可以同時確定微/納塑料的化學特征和形態，并具有自動定量算法以實現系統分析；（4）基于原子光譜技術的微/納塑料分析表征標準方法的制定和推廣應用。另外，微/納塑料污染治理迫切需要從政策制定方面進一步加強對塑料制品生產、貯存、使用及其廢物處置等環節的全生命周期管理。