《Advanced Science》：Single-Particle Mid-Infrared Photothermal Imaging Reveals Hidden Heterogeneity in Real-World Micro- and Nanoplastics
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编者推荐：针对传统方法难以解析真实环境微纳塑料（MNPs）单颗粒异质性的瓶颈，研究人员采用中红外光热（MIP）显微镜，对瓶装水中的MNPs进行单颗粒化学与形态表征。研究发现纳米塑料（NPs）占64%，PET具显著光谱窄化与结晶度连续变化，为暴露评估及毒理模型提供了关键数据。
每天喝瓶装水，可能是很多人习以为常的习惯，但这看似纯净的水源中，其实正悄然悬浮着数以万计的“隐形入侵者”——微塑料（Microplastics, MPs）和纳米塑料（Nanoplastics, NPs）。随着塑料污染成为全球性的环境与健康挑战，微塑料和纳米塑料不仅在地表水、海洋中泛滥，更已被明确检测到存在于人体的血液、肺部、肠道乃至胎盘中。尽管目前尚未完全厘清微纳塑料与疾病之间的因果链条，但越来越多的证据表明，聚合物的类型、形状和尺寸从根本上决定了它们如何被细胞摄取、引发毒性以及与生物系统相互作用。
然而，科学界在评估这一风险时面临着巨大的技术瓶颈。过往的研究大多依赖原始的、单分散的聚合物微球作为实验模型，这远远无法捕捉真实世界中经过机械磨损、化学风化后的微纳塑料复杂的物理化学特性。同时，传统的分析方法也存在局限：热裂解-气相色谱-质谱（Py-GC-MS）等块体成分分析方法因对大量颗粒取平均值而掩盖了群体异质性；纳米颗粒跟踪分析（NTA）等基于尺寸的分析则无法区分相同尺寸下的化学成分差异；而电子显微镜缺乏化学特异性，传统傅里叶变换红外光谱（FTIR）的空间分辨率又仅约10微米，难以触及亚微米尺度的纳米塑料。这些限制使得科学家们无法绘制出决定生物行为的单颗粒化学变异图谱。
为了突破这些局限，并回答真实世界中的微纳塑料究竟存在怎样的异质性这一问题，研究人员以瓶装水这一主要的人体摄入途径为受控且环境相关的体系，开展了系统的研究。他们采用了中红外光热（Mid-infrared photothermal, MIP）显微镜技术，对来自三个中国主要瓶装水品牌的样品进行了单颗粒水平的化学成像与形态学分析。该研究论文发表在《Advanced Science》上。研究结果显示，瓶装水中的微纳塑料污染水平达到9.9 ± 1.2 × 104颗粒/升，其中纳米塑料（最小费雷特直径 < 1 μm）占比高达64%。在化学成分上，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，瓶身材料）占主导地位（88.2%），其次为聚酰胺（PA，6.7%）、聚醚碳酸酯（PEC，3.5%）和纤维素（约1%）。更重要的是，研究人员揭示了这些真实颗粒在形态和分子结构上存在显著的异质性：不同聚合物具有特定的形态分布（可用于溯源），而释放出的PET颗粒更是表现出明显的光谱窄化、低分子量物质浸出以及连续的结晶度变化，这与商业标准品和瓶壁PET有明显区别。这些发现表明，仅基于颗粒计数或尺寸分布的暴露评估会低估真实的异质性，该研究成果为人体暴露评估、毒理学建模以及未来的微纳塑料监测标准提供了至关重要的参考数据。
为开展此项研究，作者主要采用以下几个关键技术方法：首先是样本制备，将来自三个中国主要品牌的瓶装水通过真空抽滤富集于20 nm氧化铝（Al2O3）膜上；其次是中红外光热（MIP）显微镜成像，采用两阶段工作流程，先在诊断性聚合物频率（如1255 cm?1的C─O─C伸缩振动，1453/1471 cm?1的CH2/CH3弯曲振动，1730 cm?1的C═O伸缩振动）进行波长选择性扫描以快速定位颗粒，再在确定的颗粒位置获取全中红外光谱（933–1799 cm?1）；接着进行数据分析，通过强度阈值处理提取颗粒位置与形态参数（尺寸、形状如圆度），并利用光谱总变分（STV）算法去噪后与聚合物参考谱库比对以鉴定塑料类型；最后是光谱分析，包括峰值拟合（高斯-洛伦兹交叉函数）、主成分分析（PCA）以及物理热建模和连续光谱采集实验，以验证观测到的结构特征并非光热激发引起的假象。
2.1 Wavelength-Selective Imaging Resolves Nanoscale Contamination Across Macroscopic Filters（波长选择性成像解析宏观滤膜上的纳米级污染）
为了在不耗费不切实际的采集时间的前提下，表征分布在厘米级滤膜上稀疏分布的亚微米颗粒，研究人员实施了两阶段工作流程。通过在诊断性聚合物频率下进行波长选择性扫描快速定位颗粒，随后在识别出的颗粒位置获取全中红外光谱。经强度阈值处理的求和波长选择性图像同时提取了颗粒位置和形态参数（尺寸、形状），光谱经STV算法去噪归一化后与参考库匹配进行聚合物鉴定。验证实验证实该方法对150 nm颗粒的检测灵敏度信噪比 > 3.7，且污染极小。
2.2 Consumer-Relevant NP Population for Heterogeneity Characterization（用于异质性表征的消费者相关纳米塑料群体）
研究以瓶装水为代表的高通量暴露途径，采用最小费雷特直径（平行切线间的最小距离）作为主要尺寸描述符，将 < 1 μm 定义为纳米塑料（NPs），≥ 1 μm 定义为微塑料（MPs）。结果表明，塑料颗粒污染达9.9 ± 1.2 × 104颗粒/升，NPs（6.3 ± 0.8 × 104颗粒/升，64%）多于MPs（3.6 ± 0.6 × 104颗粒/升，36%）。四种类聚合物占检出颗粒的99.3%：PET（88.2%）、PA（6.7%）、PEC（3.5%）和纤维素（约1%）。其中PEC（由CO2合成的环保聚合物，用于电池应用）系首次在瓶装水中检出（仅C品牌），暗示流域级环境污染；而瓶盖材料聚丙烯（PP）检出极低，表明PET瓶材降解是主要纳米塑料来源。
2.3 Population-Level Heterogeneity: Polymer-Specific Morphological Distributions（群体水平异质性：聚合物特异性形态分布）
单颗粒化学-形态分析揭示了显著的群体水平异质性。使用圆度（4π × 面积/周长2）量化形状，散点分析显示不同聚合物聚类明显：PET跨度300–3300 nm、圆度0.04–0.97；PEC聚集于 < 1900 nm、圆度 < 0.5；PA占据较大尺寸（0.3–11 μm）且形状不规则；纤维素形成 < 900 nm 的高度细长颗粒。所有颗粒平均圆度0.37 ± 0.22，表明主要为不规则/细长形态，这会影响比表面积及共污染物吸附，并激活不同的细胞摄取途径（如网格蛋白介导的内吞作用 vs 巨胞饮作用）。此外，聚合物特异性形态分布实现了污染源归属：PET颗粒符合包装材料分解；纤维素和PA颗粒分别匹配水处理基础设施中的纤维素基预滤器和反渗透（RO）膜碎片；PEC则指向工业来源的流域污染。
2.4 Distinct Vibrational Signatures Reveal Structural Heterogeneity in Released PET Particles（独特的振动特征揭示释放的PET颗粒中的结构异质性）
对比瓶装水中241条高信噪比PET颗粒光谱与商业PET标准品及瓶壁PET光谱发现，释放的颗粒具有明显且可重现的光谱特征。归一化后在约1720 cm?1羰基带、1250–1290 cm?1酯C─O─C区域和1100–1136 cm?1构象区域显示出明显的谱带分裂。峰值拟合显示羰基带分离为1719和1730 cm?1两个子带（分别对应结晶和无定形C═O环境），所有子带在颗粒中的半峰全宽（FWHM）较瓶壁PET显著减小，表明局部振动环境收敛，局部分子均匀性增加；子带中心有2.5–6 cm?1的系统偏移，且～1690 cm?1（PET单体或低聚物特征振动）减弱或消失，符合低分子量物质浸出。PCA分析显示沿第一主成分连续分布，对应羰基子峰强度比及酯带的特征变化，排序后可见羰基带从1730 cm?1向1719 cm?1渐变及1268/1290 cm?1带减弱，符合颗粒间分子有序度和结晶度的差异。热建模与长时间连续光谱采集实验证实，这些结构特征源于颗粒本身，而非测量中的光热激发假象。
在讨论部分，作者总结道，这种在分子水平（谱带窄化、亚峰分辨）和颗粒水平（连续的光谱状态分布，反映结晶度变化）的两级异质性，挑战了在毒理学研究和风险模型中常将“尺寸-成分”类别视为等效暴露单元的做法。不同结晶度的PET具有不同的表面和机械性能，影响细胞粘附和内化；而当前实验室毒理研究多使用原始或人工老化的均匀颗粒，无法预测真实环境种群的生物学反应。该研究测量的9.9 × 104颗粒/升（64%为NPs）提供了暴露模型基线，但种群内显著的化学和形态异质性要求风险评估超越“尺寸-成分”点值，转向基于属性分布和群体毒理数据的范式。研究也指出了监管盲点：瓶装水运输储存的高温可能加速颗粒释放，过滤系统验证仅针对污染物去除而非颗粒生成。尽管受20 nm滤膜下限及大视场筛查通量的限制，未来可通过远场超分辨振动成像和激光扫描MIP显微镜改进。总之，这项研究确立了必要的参考数据，揭示了关键的知识缺口，强调未来需使用涵盖观测属性分布的环境相关颗粒种群进行毒理研究，以构建关联颗粒特征与生物结果的预测模型。
