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。
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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。
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。
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增加。已在人类结肠10、孕妇胎盘11以及成人粪便12中发现微塑料的累积。精确测定微塑料的释放水平对于识别暴露来源、评估健康风险以及评价任何潜在控制措施的有效性至关重要。近年来,一些案例研究报道,日常使用的塑料制品(例如塑料水壶13和一次性杯子14)可释放极高数量的微塑料。例如,一次性纸杯(内壁覆有聚乙烯-PE或共聚物薄膜)在接触85–90 °C 热水后,每毫升液体中释放约250个微米级微塑料颗粒和1.02亿个亚微米级颗粒14。一项关于聚丙烯(PP)食品容器的研究报告称,单次使用过程中容器可释放高达7.6 mg的塑料颗粒15。由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和尼龙制成的茶包释放量甚至更高,可向一杯饮料(10 mL)中释放约116亿个微塑料颗粒和31亿个纳米级微塑料颗粒16。鉴于这些日常使用的塑料制品专为食品和饮料制备而设计,大量微塑料的释放是可能的,其摄入对人体健康构成潜在威胁。
关于家用塑料制品(例如塑料水壶13和一次性杯子14)释放微塑料(MP)的研究尚处于初期阶段,但预计该领域将受到科研人员和公众越来越多的关注。这些研究所需的方法与已在室温下海水或淡水环境中建立完善的实验方案存在显著差异17。相比之下,涉及家用塑料制品日常使用的研究通常涉及更高的温度(高达100 °C),并且在许多情况下会反复冷却至室温。先前的研究指出,塑料在接触热水时可释放数百万个微塑料颗粒16,18。此外,塑料制品的长期使用可能随时间改变塑料本身的性质。因此,开发一种能够准确模拟最常见日常使用场景的采样方案至关重要。微尺寸颗粒的检测是另一项重大挑战。以往研究表明,塑料制品释放的微塑料通常小于20 µm16,19,20。检测此类微塑料需要使用孔径小且表面光滑的膜过滤器。此外,还必须将微塑料与过滤器可能捕获的其他污染物区分开来。高灵敏度拉曼光谱法可用于化学成分分析,其优势在于无需使用高功率激光,从而避免因高激光功率而容易破坏微小颗粒的问题20。因此,该实验方案必须将无污染的操作流程、最优膜过滤器的选择以及快速准确识别微塑料的表征方法相结合。
本研究聚焦于以聚丙烯(PP)为材料的婴儿奶瓶(BFB),这是日常生活中最常用的塑料制品之一。研究发现,在冲泡配方奶粉的过程中,塑料奶瓶会释放出大量微塑料(MP)18。为进一步研究日常塑料制品中微塑料的释放情况,本文详细介绍了针对婴儿奶瓶的样品制备与检测方法。在样品制备过程中,严格遵循世界卫生组织(WHO)推荐的标准配方冲调流程(包括清洗、灭菌和混匀)21。通过依据WHO指南设计实验方案,我们确保了奶瓶中微塑料的释放过程能够真实模拟家长在日常中为婴儿冲调奶粉的实际操作。过滤步骤经过专门设计,以精确收集从奶瓶中释放出的微塑料颗粒。在微塑料的化学鉴定方面,优化了拉曼光谱仪的工作条件,以获得清晰且易于识别的微塑料光谱图,同时避免目标颗粒被激光灼伤。最后,建立了使用原子力显微镜(AFM)对微塑料进行精确三维形貌成像的最佳测试程序及施加作用力的参数。本文详述的实验方案(图1)为微塑料样品的制备与检测提供了一种可靠且成本较低的方法,将显著推动未来对塑料制品的相关研究。
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1. 热水制备
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,以下三个步骤模拟了在配方制备过程中从婴儿奶瓶(BFBs)释放出的微塑料(MPs)的情况。
3. 用于微塑料鉴定与定量的样品制备
4. 原子力显微镜形貌表征的样品制备
5. 使用拉曼光谱法对微塑料进行鉴定与定量
6. 使用原子力显微镜对微塑料进行表面形貌表征
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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(
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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...
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作者无任何利益冲突需要披露。本出版物中材料的呈现并不表示都柏林圣三一学院对特定公司或某些制造商产品的任何观点,也不意味着都柏林圣三一学院认可、推荐、批评或其他方式将这些公司或产品置于优于其他同类公司或产品的地位。本刊已尽力确保内容准确,但不承担因使用本文内容而产生的任何责任。已采取一切合理预防措施以核实本出版物所含信息,但所发布材料的分发不附带任何形式的明示或暗示保证。对于材料的解释和使用责任由读者自行承担。在任何情况下,都柏林圣三一学院均不对因使用本材料而引起的损害承担责任。
作者感谢爱尔兰企业局(资助编号:CF20180870)和爱尔兰科学基金会(资助编号:20/FIP/PL/8733、12/RC/2278_P2 和 16/IA/4462)提供的资金支持。我们还感谢都柏林圣三一大学工程学院奖学金以及中国国家留学基金管理委员会(编号:201506210089 和 201608300005)提供的经费支持。此外,我们感谢都柏林圣三一大学土木、结构与环境工程系及 AMBER 研究中心的 Sarah Mc Cormack 教授以及技术人员团队(David A. McAulay、Mary O'Shea、Patrick L.K. Veale、Robert Fitzpatrick 和 Mark Gilligan 等)提供的专业帮助。
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| 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 |
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