《Journal of Water Process Engineering》：Nanomaterial-enabled sensing platforms for detection and quantification of micro/nanoplastics
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微纳米塑料在环境中普遍存在，传统检测方法（如FTIR、Raman）受限于灵敏度低、选择性和通量不足，而纳米材料传感器通过高表面活性、光学/电化学特性增强检测能力。综述整合金属纳米颗粒、碳基材料及复合材料构建的荧光、等离子体共振、电化学等平台，结合AI/ML实现多污染物同步检测与数据分析，并通过瓶装水、食品等实际样品验证，提出标准化和可重复性是未来挑战。
埃曼西·亚达夫（Emansi Yadav）| 克里希纳·莫汉·波卢里（Krishna Mohan Poluri）
印度北方邦鲁尔基（Roorkee）印度理工学院鲁尔基分校纳米技术中心，邮编247667
摘要
由于塑料垃圾管理不善导致的风化和破碎，微塑料和纳米塑料颗粒现已普遍存在于空气、水、土壤和人体组织中。在自然条件下对各种环境中的微塑料/纳米塑料进行定量分析是一个全球性挑战。传统方法（如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱）难以应对这些颗粒在尺寸、形态、聚合物类型和表面化学性质方面的显著异质性，这限制了其灵敏度、选择性和检测通量。基于纳米材料的传感平台通过利用纳米级别的定制光学和电子特性提供了可行的替代方案。本文综述了利用金属纳米颗粒、碳点、碳纳米管以及结合荧光、等离子体、拉曼和电化学技术的混合纳米复合材料在纳米传感领域的进展，以实现低检测限、聚合物区分能力，并能在复杂环境基质中正常工作。此外，还评估了与微塑料/纳米塑料环境相关的共污染物检测策略（例如吸附的有机污染物），重点介绍了多重检测和正交检测方法。人工智能/机器学习（AI/ML）与纳米传感器的结合使得检测更加可靠，能够进行光谱解卷积，并适应不同应用场景以实现精确分类和定量分析。最后，还讨论了在真实世界样本（包括瓶装水和包装食品）中的应用案例，以及标准化和重复性方面存在的挑战。总体而言，基于纳米材料的传感器能够选择性地、灵敏地监测微塑料和纳米塑料及其共污染物。
引言
过去几十年来，塑料产量的指数级增长带来了社会的巨大变革，塑料已成为包装、消费品、医疗设备等领域的不可或缺的一部分。然而，仅有不到10%的塑料被回收利用，大部分被填埋、焚烧或处理不当，导致陆地和水生生态系统受到广泛污染[1] [2]。因此，大量塑料废物进入环境，积聚在河流、海洋、土壤甚至大气中，对生物多样性和生态系统健康造成严重影响[1]。到2040年，海洋中的塑料总量可能达到6亿吨[2]。塑料通常根据具体应用需求进行合成，常见的聚合物类型包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PUR）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[3] [4]。
塑料危机的一个关键方面是大型塑料垃圾风化成微塑料（尺寸<5毫米）和纳米塑料（尺寸<1微米）。微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）来源多样，在不同环境基质中的尺寸、形状、颜色和形态上存在显著差异[3] [4]。根据来源，微塑料和纳米塑料大致可分为两类：一类是专门为特定商业或工业应用而制造的初级微塑料/纳米塑料；另一类是来自大型塑料垃圾环境降解的次级微塑料/纳米塑料。初级微塑料/纳米塑料包括用于个人护理产品（如面部磨砂膏）的微珠、喷砂介质和研磨材料。另一个重要的初级微塑料类别是微纤维，它们通常在洗涤或磨损过程中从合成纺织品中释放[3] [6]。相比之下，次级微塑料/纳米塑料是由大型塑料垃圾在物理（如机械磨损、波浪作用）、化学（如紫外线辐射）和生物（如微生物）因素的影响下逐渐降解形成的。这种风化过程使塑料逐渐破碎成更小的颗粒，最终达到微米和纳米级别[3] [5]。
此外，微塑料和纳米塑料还可能通过野火、风暴、破损的渔具和海上活动等非传统途径进入环境。从形态上看，微塑料/纳米塑料有多种形式，包括薄膜、碎片、纤维、泡沫、颗粒、圆盘状颗粒、角状颗粒以及不规则的降解形态[3]。它们的结构多样性反映了其来源和所经历的环境影响。由于其不可生物降解的特性，这些塑料聚合物即使在经过长时间的环境降解后仍能保持化学完整性[3]。
这些微塑料和纳米塑料颗粒现已无处不在，在水、空气、土壤、食品甚至人体组织中都有发现[7] [8] [9] [10]。它们的小尺寸和高表面积与体积比不仅便于进入生物系统，还增强了它们作为重金属、病原体、抗生素废物等有毒物质载体的潜力[11]。越来越多的证据表明，微塑料/纳米塑料会导致人类和野生动物的多种不良健康效应。实验和流行病学研究表明，这些颗粒可引发氧化应激、免疫反应、代谢紊乱、器官功能障碍甚至DNA损伤[12] [13] [14]。在人类血液、粪便和呼吸道黏液中都检测到了微塑料/纳米塑料，说明它们可以通过摄入、吸入和皮肤接触等多种途径进入人体，从而引发慢性疾病、生殖毒性和发育障碍等问题的担忧[9]。还有报道指出，这些亚微米级塑料颗粒能够穿过胎盘和血脑屏障[15]。Shan等人在一项体内实验中证明，50纳米的PSNP显著增加了血脑屏障的通透性，并在小鼠大脑中积累[15]。进一步使用hCMEC/D3（人脑微血管内皮细胞）进行的体外研究表明，PSNP可以被细胞内化，并导致ROS产生、TNFα分泌以及hCMEC/D3细胞坏死[15]。
在复杂的环境和生物基质中检测和定量微塑料/纳米塑料仍然是一个艰巨的任务。天然样本（水、沉积物、生物体）中通常含有大量有机和无机物质，可能干扰塑料的检测。传统方法依赖于物理和化学表征技术的组合，如光学和电子显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱和质谱[16] [17]。尽管这些方法提供了有价值的信息，但它们往往受到样本制备劳动强度大、成本高、分析时间长以及难以检测小于100纳米的颗粒或区分塑料与天然物质的限制[16] [18]。
在这种背景下，基于纳米技术的传感方法作为克服这些分析障碍的强大工具应运而生。通过利用纳米材料的独特性质（如高表面积、可调的电子和光学特性以及增强的反应性），纳米传感器能够以前所未有的灵敏度和选择性检测微塑料/纳米塑料，即使是在微量浓度下也是如此[19]。基于纳米材料的电化学传感器、等离子体和荧光探针以及光流体平台的创新实现了快速、实时的检测，甚至可以在现场使用。这些技术包括表面增强拉曼散射（SERS）基底、荧光纳米探针、电化学传感器以及基于碳纳米管、量子点、金属有机框架（MOFs）、等离子体纳米颗粒和石墨烯衍生物的光电化学（PEC）平台。现代平台还集成了智能手机接口、机器学习算法或微流控芯片，实现了现场可用的即时检测。
与主要关注传统光谱技术或孤立纳米材料系统的现有文献综述不同[19] [20]，本文提供了对微塑料和纳米塑料传感的统一、以纳米材料为中心的评估。它独特地结合了聚合物特异性识别、共污染物检测、AI/ML辅助解释和实际应用验证，从而将纳米传感从实验室演示推进到标准化、可现场部署的监测平台。
检测微塑料/纳米塑料的传统方法与挑战
检测微塑料/纳米塑料的一个关键前提是准确收集、预处理和分析环境样本，尤其是在海洋和陆地沉积物中。颗粒尺寸、形态、密度、聚合物成分以及添加剂或表面生物膜的存在对准确检测构成了重大挑战[16]。因此，迫切需要制定标准化协议以确保可靠的采样
基于纳米技术的微塑料/纳米塑料检测策略
尽管传统技术在微塑料和纳米塑料的检测方面取得了进展，但在灵敏度、选择性、检测通量和易用性方面仍存在不足。大多数传统方法要么分辨率有限（无法区分纳米塑料），要么化学特异性不强，要么测量过程具有破坏性[29]。这些挑战还受到环境和生物基质的干扰，以及缺乏标准化采样协议的影响
微塑料/纳米塑料传感的检测平台与设计原理
基于纳米技术的传感器已成为检测微塑料和纳米塑料的有效工具，具有高灵敏度、选择性和适应性，适用于多种检测平台。通过集成工程纳米材料（如金属纳米颗粒、碳基结构、量子点和混合复合材料），这些传感器利用独特的物理化学性质在各种检测模式下放大信号
检测微塑料/纳米塑料引起的共污染物/塑料渗出物/降解副产物
微塑料和纳米塑料可以作为多种共污染物的载体，如重金属、持久性有机污染物（POPs）等，将它们从水和土壤传递到水生和陆地生物体中，因此对其检测和分析对于理解环境和人类健康风险至关重要[11]。这通常是通过微塑料/纳米塑料的疏水表面吸附有机污染物实现的[108]。与微塑料/纳米塑料相互作用的化学污染物可以分为两类
人工智能和机器学习在微塑料/纳米塑料纳米传感中的应用
数值模型在预测纳米/微塑料的命运和传输过程中发挥着关键作用，是研究人员和决策者了解其行为、空间分布、积累区域和潜在污染源的主要方法之一[110]。对于环境纳米/微塑料的生命周期分析，模型可以提供关于颗粒浓度和特性的详细信息，如尺寸、形状、沉降速率和聚集速率等
基于纳米技术的便携式微塑料/纳米塑料检测传感器
最近的进展集中在开发便携式、无需标记、集成AI/ML的传感器上，能够实时监测环境污染物（如微塑料和纳米塑料）。在这方面，大量研究致力于开发自动检测和定量方法，以减少操作者的主观偏差，并降低每次分析的成本和所需时间[123]。确实，集成深度学习模型（如YOLOv5）
微塑料/纳米塑料在现实生活中的应用
用于微塑料和纳米塑料检测的纳米传感技术正越来越多地应用于各种实际场景，从环境监测到食品安全和消费品测试[37] [129]。这些先进的传感器利用荧光共振、SERS和电化学转换等机制，在无需复杂样本处理的情况下实现超痕量检测。在食品系统中，纳米传感器已经检测到了塑料污染物
挑战与未来展望
由于微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的微小尺寸、复杂的形态、化学异质性以及它们存在的多样化基质，其在环境和食品基质中的检测和定量仍是一个巨大的科学和技术挑战。此外，环境（如海水、土壤）和食品基质（如牛奶、海鲜、茶叶）中的化学和物理干扰也会降低检测准确性。尽管纳米技术已经
结论
这项综合性研究探讨了基于纳米材料的传感平台作为下一代微塑料/纳米塑料定性及定量检测工具的潜力。这些微米和纳米级别的颗粒渗透到自然生态系统和食品系统中，由于其小尺寸、化学持久性和吸附及传输有毒物质的潜力，对环境和人类健康构成重大风险。传统的分析方法（如FTIR和拉曼光谱）在
作者贡献声明
埃曼西·亚达夫（Emansi Yadav）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。克里希纳·莫汉·波卢里（Krishna Mohan Poluri）：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
EY感谢获得了UGC-JRF研究奖学金（CSIR/UGC/221610038074/JUN22C01247）用于博士项目。KMP感谢ANRF/SERB-DST的STR/2022/00008和CRG/2022/003028以及DBT的BT/PR45943/BCE/8/1785/2023提供的财务支持。
