原子光谱技术助力微／纳塑料分析，AS封面文章详解其环境行为与生物效应

在国际公认的四大新污染物（即持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素、微塑料等）中，微塑料是唯一呈粒子状态的污染物。随着塑料产品种类和数量的指数增长，微塑料污染已发展成为一种全球性环境问题。更值得关注的是，微塑料颗粒在物理、化学、生物等作用下逐渐破碎形成粒径小于1 μm的纳塑料。大量研究证实，微/纳塑料的浓度、尺寸、形貌、组成等是决定其环境行为和健康风险的重要因素，因此微/纳塑料的分析表征是深入研究其环境归趋、环境健康风险、污染治理等的重要基础。原子光谱技术具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、准确度高、易于普及等优点，在微/纳塑料分析表征以及相关研究中显示出巨大的应用潜力。

　　近日，中国科学院生态环境研究中心谭志强研究员和阴永光研究员等共同撰写“基于原子光谱技术的微/纳塑料分析表征、环境行为和生物效应研究进展的综述论文”（图1），该研究成果作为封面文章发表于国际光谱学专业期刊《Atomic Spectroscopy》 （2023, 44(5), 282–297. https://doi.org/10.46770/AS.2023.302）上。

　　图1. 基于原子光谱的微/纳塑料分析表征、环境行为和毒性生物效应研究

　　该文章检索了近5年将原子光谱技术用于微/纳塑料研究的117篇最相关的文章，经过筛选后对这些文章进行了共现分析（图2）。利用原子光谱技术分析微/纳塑料的研究主要集中在微/纳塑料的识别、表征以及在不同环境介质中的迁移转化等。共现分析结果具有以下特点:（1）随着原子光谱技术的发展，研究对象从微塑料逐渐扩展到纳塑料；（2）微/纳塑料的主要研究场景由水和沉积物延伸到土壤和生物体内（特别是生物积累和毒性效应）；（3）原子光谱技术对微/纳塑料的研究发展迅速，目前常用的技术包括LIBS（Laser-induced breakdown spectroscopy）、ICP-MS（Inductively coupled plasma mass spectrometry）和TOF-SIMS（Time of flight secondary ion mass spectrometry）等。

　　图2. 原子光谱技术在微/纳塑料分析中应用的共现分析

　　塑料是由碳链组成的聚合物，碳元素的电离势较高，这使得采用传统原子光谱技术直接测定实际样品中微/纳塑料的碳元素存在一定的难度。利用金属元素修饰或标记微/纳塑料颗粒，通过原子光谱技术对金属元素进行定量可实现对实际样品中微/纳塑料的定量。该文章综述了微/纳塑料的不同标记方法，包括金属负载、掺杂和熔融（图3）。这种方法适用于复杂基质的环境和生物样品，在研究微/纳塑料环境行为和归趋中具有广泛应用。另外，这种方法也被用于研究微/纳塑料对细菌、植物、动物等生长发育的影响、微/纳塑料污染治理效果评估等研究中。

　　图3. 常用微/纳塑料标记方法

　　塑料制品的老化或降解是产生微/纳塑料的重要途径。使用LIBS可以识别样品材料并同时逐层确定化学成分，用于评估塑料不同老化培养时间下的氧强度和深度（图4）。微/纳塑料具有尺寸小、比表面积大、表面能高、疏水性强等特点，易成为其他共存污染物的载体，影响它们的环境行为和归趋。例如使用TOF-SIMS、XPS和ICP-MS可以研究微/纳塑料对其他重金属的吸附过程。

　　图4. 原子光谱技术定量分析微/纳塑料在环境中的老化行为

　　微/纳塑料可以通过多种途径进入生物体，通过原子光谱技术可以实现微/纳塑料在动植物中的全方位分析。这方面的研究包括（1）微/纳塑料在生物体内的吸收和代谢；（2）微/纳塑料携带的污染物进入机体后的释放；（3）微/纳塑料在食物链中的生殖毒性、遗传毒性和富集效应；（4）微/纳塑料在生物体内的空间分布（图5）。XRF能够提供具有横向分辨率的多元素检测，从而了解微/纳塑料吸收、运输和存储机制的重要信息。

　　图5. 微/纳塑料的环境和生态风险评估及毒理学效应

　　虽然原子光谱技术已在微/纳塑料研究中展现出巨大的应用潜力，但仍然存在一些挑战:（1）金属（特别是稀有金属）标记微/纳塑料的制备成本较高，需要开发其他制备成本低、灵敏度高、选择性好、贮存时间长的模型微/纳塑料；（2）应积极开发微型原子光谱仪，适合于野外现场检测；（3）有待开发高通量多功能分析表征系统，可以同时确定微/纳塑料的化学特征和形态，并具有自动定量算法以实现系统分析；（4）基于原子光谱技术的微/纳塑料分析表征标准方法的制定和推广应用。另外，微/纳塑料污染治理迫切需要从政策制定方面进一步加强对塑料制品生产、贮存、使用及其废物处置等环节的全生命周期管理。