《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：A review of analytical techniques and mechanisms for rapid detection of micro/nano plastics: Implications and new insights into current micro/nano plastics pollution
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微/nano塑料检测方法研究进展及挑战，传统光谱和质谱技术存在成本高、操作复杂问题，新型荧光标记和光学检测技术灵敏度提升但受环境界面特性影响显著，需结合机器学习建模优化应用。|微塑料|纳米塑料|检测技术|环境行为|人工智能
刘超|焦媛|杨春帆|刘晓娜|李波|苗学文|李文军|郝丽红|钱天伟|刘文
太原理工大学环境与生态学院，山西汾河流域地表过程与资源生态安全重点实验室，黄河流域水土污染低碳修复工程技术研究中心，中国晋中030600
摘要
作为新兴污染物，微/纳米塑料已引起全球研究人员的关注。基于微/纳米塑料的特性，人们开发出了多种检测方法，如微红外光谱、微拉曼光谱、气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用以及光热红外技术。与光谱和质谱检测方法相比，许多新的检测方法具有低成本、高速度和高灵敏度的优势。然而，这些检测过程往往只能反映微/纳米塑料的部分特性，这限制了我们对它们在环境中的行为（如污染传递和界面特性）的全面理解。在本综述中，我们批判性地总结了传统和快速检测方法的现有文献，重点探讨了它们的研究现状、适用条件、检测限以及作用机制。我们强调，微/纳米塑料在环境中的风化行为、迁移行为、沉积、吸附等过程会改变其物理化学性质，从而影响现有的快速检测和分析方法。为了提高检测方法的普适性，需要考虑这些过程。此外，快速检测方法与传统标准化检测方法相辅相成。在了解微/纳米塑料的类型后，我们更关注其在环境中的数量、分布行为、污染传递能力及界面特性。这些特性对于微/纳米塑料的环境评估和预防至关重要。建议进一步结合微/纳米塑料的光学和界面特性，以及机器学习和计算机建模方法，开展综合性研究，为相关研究提供可靠的基础。
引言
近年来，“白色污染”所带来的生态危害逐渐受到重视。微塑料被定义为粒径小于5毫米的塑料颗粒[1]，随着粒径的减小，它们被进一步划分为亚微米/纳米塑料。粒径的减小使得纳米塑料展现出特定的胶体特性，导致其与微塑料在环境中的行为有显著差异。相关研究表明，纳米塑料的毒性显著依赖于其尺寸[2]。微/纳米塑料的来源广泛，包括直接工业生产过程或老化释放。目前，它们广泛存在于地表水、海洋、土壤中，甚至动物和植物体内。
关于微塑料的研究发展迅速，自2004年以来发表了大量论文，主要集中在环境样品、行为效应和检测技术方面（图1）。然而，针对纳米塑料的研究相对较少，主要受分离和检测技术的限制。与检测方法相关的研究数量仍然较低。
微塑料引起的环境问题正逐渐引起各国和组织的关注。中国发布了《新污染物管理行动计划（2022）》，将微塑料纳入其中；美国环境保护署也发布了《国家塑料污染预防战略（2024）》；印度颁布了《塑料废物管理（修正）条例（2024）》；联合国发布了《塑料废物和再生塑料管理指南（2023）》；国际标准化组织也发布了《环境中的微塑料分析原则（ISO 24187: 2023）》。塑料和微塑料污染的控制正趋向于系统化、规范化和制度化。
环境介质中的微/纳米塑料可通过空气、水、食物等途径轻易进入动植物组织，并在食物链中积累[3]。普遍认为微/纳米塑料对动植物具有显著的毒性作用，主要影响其生长、繁殖过程和正常代谢[4]。相关研究表明，阴离子纳米塑料可通过内吞作用进入神经元，导致蛋白质降解，进而影响大脑功能[5]。
微/纳米塑料在水和土壤介质中易于迁移，且粒径越小，沉降/沉积速率越慢。此外，环境中的微/纳米塑料会因各种环境因素而发生风化/老化，表现为比表面积增加、含氧官能团增多、吸附位点增加等，这可能导致其与环境中多种物质的相互作用增强，从而带来更复杂的生态风险。微塑料在环境中的老化还会使其亲水性和负电荷增加。研究表明，微/纳米塑料表面的电荷特性会影响细胞的内化过程[6]，带来多种毒性效应。此外，微/纳米塑料还能吸附脂质、水溶性土壤代谢物和微生物，形成生态冠层[7]，进而影响土壤中的物质循环和生态群落分布。
基于Web of Science核心数据库对相关论文的关键词进行了聚类分析，结果如图2和图S1所示（支持信息）。关于微塑料的研究主要集中在迁移、富集、吸附和不同环境介质中的健康风险方面；主要的检测方法包括红外光谱、拉曼光谱、质谱和荧光分析。针对纳米塑料的相关研究则关注其纳米级特性引起的毒性效应、生物富集和蛋白质冠层等现象；检测方法主要包括拉曼光谱和拉曼成像。目前，用于检测环境介质中微塑料（尤其是亚微米或纳米塑料）的解决方案仍然非常有限。
快速分析环境中的微/纳米塑料的检测技术具有挑战性。开发出准确、高效且经济的检测工具对于理解当前微/纳米塑料污染状况至关重要。目前，基于荧光标记技术已经实现了对微/纳米塑料的追踪和检测，这在填补相关研究空白方面发挥了重要作用。荧光分析相比传统分析方法具有经济性、简便性和相对高的准确性等优点。此外，通过物理化学性质（如光学或界面性质）直接分析微/纳米塑料也是一种有效方法，但这些性质可能受到直接或间接因素的影响。快速环境检测技术的发展对于微/纳米塑料的评估和检测至关重要。
本综述分析了标准化检测和快速检测方法的机制和局限性，主要讨论了以下问题：（i）传统和标准化检测方法的应用和局限性；（ii）微塑料荧光标记和可视化技术的发展；（iii）当前快速检测方法的机制、准确性和适用条件；（iv）环境介质与微塑料界面特性耦合带来的新挑战；（v）人工智能、建模、量子化学等技术在微/纳米塑料研究中的应用和贡献。本综述将有助于我们更好地理解标准化检测与快速检测技术之间的关系，并推动微/纳米塑料物理化学性质、界面特性、污染传递等相关研究的发展。
微塑料的检测与分析：进展与挑战
随着微/纳米塑料研究的发展，出现了多种分析和检测方法。目前较为成熟的检测技术主要包括光谱分析和气相/液相质谱分析（图3）[9],[10],[11],[12],[13]。光谱分析方法对较大粒径的微塑料检测效果较好，但随着粒径的减小，检测准确性和难度都会增加。
微/纳米塑料的快速检测与分析
尽管传统分析方法较为成熟，但它们普遍存在成本高、操作复杂等问题，限制了其在微/纳米塑料检测和分析领域的广泛应用。基于微/纳米塑料不同特性的快速分析技术可以补充现有方法，降低成本并提高检测效率。更重要的是，这些技术的发展有助于揭示微/纳米塑料的更多特性。
环境中微/纳米塑料快速检测的挑战
快速检测和分析环境中的微/纳米塑料是当前研究的难点。基于表面和界面特性的快速分析对于全面评估微/纳米塑料污染状况至关重要。
环境介质中微/纳米塑料的类型、粒径、密度和组成较为复杂。除了采样方法导致的数据差异外，检测过程本身也存在挑战。
人工智能与建模计算
人工智能和模型构建在微/纳米塑料的检测和行为预测中发挥着重要作用。微塑料检测的核心在于通过降维和特征提取来分析复杂的大规模数据集，这些技术可应用于光谱分析、图像识别等领域。其行为预测取决于两个因素：一是微/纳米塑料的物理性质（如密度、形状、粒径和表面特性）；二是其他环境因素。
微/纳米塑料污染控制的未来挑战与发展
为了有效控制全球微塑料污染，现阶段需要明确各环境中的微塑料污染程度。了解实际环境中微/纳米塑料的物理性质（如浓度、种类、界面特性和污染载体）至关重要，以便评估饮用水和食物中的微塑料污染状况，并识别人类接触微塑料的途径和风险。
结论
随着相关研究的发展，人们对微/纳米塑料污染的认识不断深入。传统检测技术获得的信息不足，限制了对其风险的进一步评估、控制和清除。基于荧光、光学分析、电化学分析等的快速微/纳米塑料检测技术仍面临诸多限制，但相关研究对于理解微/纳米塑料的环境影响至关重要。
CRediT作者贡献声明
刘超：撰写初稿、数据整理、概念构建。焦媛：撰写初稿、数据整理、概念构建。杨春帆：数据整理。刘晓娜：撰写初稿、指导、数据整理。李波：数据整理。苗学文：数据整理。李文军：数据整理。郝丽红：数据整理。钱天伟：撰写、审稿与编辑、资源协调、概念构建。刘文：撰写、审稿与编辑、资源协调、数据整理。
