日常使用过程中聚丙烯婴儿奶瓶微塑料释放的采样、鉴定与表征

摘要

本研究详细阐述了一种可靠且经济高效的微塑料采集与检测方案，适用于日常使用的塑料制品中微塑料的分析。

摘要

微塑料（MPs）由于可能对人类健康构成风险，正引发全球关注。针对塑料制品（如一次性塑料杯和水壶）的案例研究表明，日常使用过程中微塑料的释放量可能极高。准确测定微塑料的释放水平，是识别和量化暴露来源、评估并控制由此带来风险的关键步骤。尽管针对海洋或淡水环境中微塑料检测的方案已较为成熟，但家用塑料制品所经历的使用条件差异较大。许多塑料制品在日常使用中频繁暴露于高温环境（可达100 °C），随后又冷却至室温。因此，开发一种能够模拟特定产品实际日常使用场景的采样方案至关重要。本研究聚焦于广泛使用的聚丙烯基婴儿奶瓶，旨在建立一种适用于多种塑料制品微塑料释放研究的经济高效方案。该方案可实现：1）在采样与检测过程中有效防止潜在污染；2）基于世界卫生组织（WHO）指南，真实模拟日常使用场景，并准确收集婴儿奶瓶释放的微塑料；3）对奶瓶释放的微塑料进行经济高效的化学定性和物理形貌表征。基于该方案，使用标准聚苯乙烯微塑料（直径2 µm）的回收率为92.4–101.2%，检测到的粒径约为设计尺寸的102.2%。本文详述的方案为微塑料样品的制备与检测提供了一种可靠且经济高效的方法，将显著推动未来关于塑料制品微塑料释放的研究。

引言

大多数类型的塑料不可生物降解，但会因氧化和机械摩擦等化学与物理过程分解成微小碎片^1,2。尺寸小于5 mm的塑料碎片被归类为微塑料（MPs）。微塑料广泛存在于全球几乎各个角落，因其对人类和野生动物的潜在风险而成为全球关注的问题^3,4。迄今为止，已在鱼类、鸟类、昆虫^5,6以及哺乳动物（如小鼠的肠道、肾脏和肝脏中）发现微塑料的显著累积^7,8。研究发现，微塑料的暴露和累积可损害小鼠的脂质代谢^7,8。一项针对鱼类的风险评估研究表明，亚微米级微塑料可穿透血脑屏障并导致脑损伤⁹。需要注意的是，迄今为止所有关于微塑料风险的研究结果均来自动物实验，其对人类健康的特定风险仍不明确。

在过去两年中，随着人类暴露于微塑料（MP）水平的确认，人们对微塑料威胁人类健康的担忧显著....

方案

1. 热水制备

1. 所有与样品接触的器具均应使用由硼硅酸盐 3.3 制成的洁净玻璃器皿，以防止任何潜在污染。使用前需彻底清洗所有玻璃器皿。
   注意：玻璃器皿上已有的划痕或缺陷部位在加热和振荡过程中可能释放颗粒。建议使用者检查玻璃器皿，避免使用有划痕的器皿。我们对不同材质玻璃（如钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃）制成的器皿进行了比较，结果显示硼硅酸盐 3.3 释放的玻璃颗粒最少（可通过拉曼光谱法检测），因此建议在所有实验中使用硼硅酸盐 3.3 玻璃器皿。
2. 将 360 mL 去离子水倒入玻璃烧杯中，用洁净的玻璃圆片盖住烧杯口，然后放入全新的微波炉中，以最大功率加热 2.5 分钟。加热后轻轻摇动烧杯，以消除因受热不均造成的温度梯度，此时烧杯内水温为 70 °C，可用于样品制备。
3. 将 1 L 去离子水倒入玻璃器皿中，用微波炉加热 14 分钟，制备 95 °C 热水用于 BFB 灭菌。
   注意：切勿使用塑料水壶制备热水。塑料水壶在煮沸过程中会向热水中释放数百万个微塑料颗粒¹³。

2. 配方制备过程中的微塑料释放

注意：严格按照世界卫生组织（WHO）推荐的标准配方制备流程（清洁、灭菌和混合）²¹

结果

为验证本方案，通过将标准聚苯乙烯微塑料小球（直径为 2.0 ± 0.1 µm）加入去离子水中制备水样。添加的微塑料数量相当于 4,500,000 个粒子/L，接近BFBs释放微塑料的水平。按照方案第2-3节操作，成功收集了微塑料（图4A），回收率为92.4-101.2%。该回收率与先前关于微塑料的研究结果相当²³。使用ImageJ分析，测得标准微塑料的直径为2.04±0.08 µm（其中±表示平均值的标准误差），约为设计尺寸（2.0 ± 0.1 µm）的102.2%。同时，也检测了其他类型微塑料（如PP和PE）可能产生的干扰，但在这些标准PS水样中均未检出。因此，本研究建立的方案可避免污染，是检测BFBs释放微塑料的可靠方法。

本方案用于检测八种畅销的瓶装婴儿配方奶粉（BFB）产品中微塑料（MP）的释放情况。图4B展示了收集在膜过滤器表面的典型微塑料颗粒。在使用拉曼光谱进行化学测定过程中（

讨论

尽管关于海洋和淡水中微塑料（MPs）的研究已有广泛报道，并且相关标准操作规程已经建立¹⁷，但日常使用的塑料制品研究是一个重要的新兴研究领域。家用塑料制品所经历的不同环境条件意味着需要格外谨慎和努力，以获得可靠的结果。研究方案必须与真实的日常使用场景保持一致。例如，超声处理在实验室测试中被广泛用于样品清洗，但研究发现，仅1分钟的超声处理即可严重破坏BFB表面，导致微塑料释放量高出一个数量级。此前也有报道指出超声处理会引起类似的聚合物断裂²⁷，这表明超声处理并不适合作为微塑料研究中塑料样品制备的清洗方法。

此外，必须识别并消除潜在的污染源。烧水壶被广泛用于制备热水，而热水是进行BFB测试所必需的。然而，单次煮沸可在塑料水壶中产生高达每升3000万个微粒¹³。微波炉是一种非接触式制备热水的方法，只需注意避免局部过热即可。在过滤操作中，建议使用玻璃移液管而非塑料移液管（通常由聚丙烯制成）。据报道，对于全新的聚丙烯产品，由于制造工艺的原因，其表面会附.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
原子力显微镜悬臂	NANOSENSORS	PPP-NCSTAuD-10	用于获取聚丙烯微塑料的三维形貌
原子力显微镜	Nova	NT-MDT	用于获取聚丙烯微塑料的三维形貌
洗涤剂	Fairy Original	1015054	用于清洗全新产品
金镀层聚碳酸酯-PC膜滤膜-0.8 µm	APC, Germany	0.8um25mmGold	用于收集水中的微塑料，并有利于拉曼检测
Gwyddion 软件	Gwyddion	Gwyddion2.54	用于确定微塑料的形貌
ImageJ 软件	美国国立卫生研究院	无，免费使用	用于确定微塑料的尺寸
微波炉	De'longhi, 意大利	815/1195	用于制备热水
光学显微镜，x100	三丰，日本	46-147	用于寻找和观察微小的微塑料
拉曼光谱仪	雷尼绍	InVia 共焦拉曼系统	用于化学鉴定聚丙烯微塑料
振荡摇床-SSL2	Stuart, 英国	51900-64	用于模拟样品制备过程中的混合过程
标准聚苯乙烯微塑料微球	Polysciences, 欧洲	64050-15	用于验证当前实验方案的稳健性
带玻璃尖端的移液管	Macro, Brand	26200	用于将水样转移至玻璃滤膜
超声波清洗器	Witeg, 德国	DH.WUC.D06H	用于清洗玻璃器皿
真空泵	ILMVAC GmbH	105697	用于过滤水样