使用质子核磁共振波谱定量土壤中基于聚己二酸对苯二酸丁二醇酯的微塑料和纳米塑料
2025年6月6日
这里描述了一种使用核磁共振波谱法量化土壤中己二酸对苯二酸丁二醇酯衍生的微塑料和纳米塑料的方法。该技术改进了现有方法，因为它扩展到纳米塑料的定量，并且可以轻松适应批量处理环境样品。
我们开发了这种方法，以便我们可以更多地了解可生物降解塑料和土壤的生物降解。可生物降解塑料产品被设计为在埋入土壤后完全降解，但我们需要一种方法来测量可能残留在土壤中的小塑料碎片。微塑料定量方法在过去几年中发展迅速，并且在组间没有标准化。
已使用各种不同的技术从土壤中量化塑料微粒。我们认为开发 NMR 波谱方法对于实现微塑料定量的多样化非常重要。NMR 以前曾用于量化土壤中塑料制品中的 PBAT。
我们创建并分享了这个协议，以便将这项技术变成一种工具，环境科学家和其他人可以用来从大量土壤样本中快速量化 PBAT，从而进行大规模的环境监测。我们的方案涉及在溶剂中回收 PBAT 聚合物。由于该方法并不专注于分离单个塑料颗粒，因此不受微塑料或纳米塑料大小的限制。
有一些权衡，但这使我们能够了解土壤中的纳米塑料生物降解。现在我们可以量化土壤中的微米和纳米塑料，我们想更多地了解纳米塑料如何与有机物和土壤矿物质等土壤成分相互作用。这些相互作用可能是一个重要因素，可以保护塑料免受微生物酶的生物降解。
首先，在提取程序之前收集并准备土壤。在通风橱中，为每个待提取样品制备 100 毫升 90 至 10 体积的氯仿和甲醇混合物。将 100 克干土、100 毫升氯仿甲醇溶液和 20 个玻璃珠加入玻璃萃取罐中。
用 PTFE 衬里的盖子将罐子密封，以防止溶剂蒸气逸出。将萃取瓶放在摇床上，以每分钟 200 转的速度摇动 8 小时。摇晃后，让提取罐中的土壤沉淀至少四个小时。
现在，在通风橱中打开萃取罐的盖子。使用移液管，将液体提取物加载到孔径为 11 微米的定性纸过滤器上，并将滤液收集在贴有标签的干净玻璃罐中。记录回收的溶剂的体积。
让土壤中的提取物在通风橱中完全干燥，这可能需要长达 24 小时。然后，安全地丢弃干燥的土壤。提取物干燥后，盖上样品罐并存放在阴凉、黑暗、干燥的地方以备后用。
首先，获得含有聚己二酸对苯二醇酯或 PBAT 的干燥土壤提取物。将 1 毫克内校准剂 1， 4-二甲氧基苯加入每个装有干燥提取物的样品罐中。在通风橱中将样品重悬于 500 μL 氘代氯仿中。
盖上罐子，用手或台面轻轻敲击每侧约 10 次。然后，使用干净的移液器吸头将溶解的样品转移到 NMR 管中。再加入 500 μL 氘代氯仿重复重悬步骤，然后拉取样品。
在收集 NMR 波谱之前，盖上 NMR 管并存放三天。每公斤 PBAT 加标 63 毫克的阴壤土光谱显示所有五个特征 PBAT 峰都清晰分辨。校准曲线显示，在阴壤土、Elkhorn 砂壤土和 Los Osos 壤土中添加和测量的 PBAT 量之间具有很强的相关性，其中阴壤土的提取效率最高，为 76%PBAT 从阴壤土中提取微塑料的效率高于纳米塑料。
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概述
本文描述了一种使用核磁共振光谱法对土壤中的对苯二甲酸-1,4-丁二醇-邻苯二甲酸酯（PBAT）微塑料和纳米塑料进行定量分析的方法。该技术通过能够定量分析纳米塑料来增强现有的方法，并且可以适用于环境样本的批量处理。
关键研究组成部分
科学领域
- 环境科学
- 塑料污染
- 分析化学
背景
- 生物可降解塑料被设计用于在土壤中降解。
- 小塑料碎片可能在环境中持续存在。
- 微塑料定量分析方法正在迅速发展。
- 这些方法的标准化在不同研究团体之间缺乏一致性。
研究目的
- 开发一种测量土壤中微塑料和纳米塑料的方法。
- 改善对微塑料定量分析技术的获取。
- 增强对生物可降解塑料降解的理解。
使用的方法
- 核磁共振（NMR）光谱法。
- 适用于环境样本的批量处理。
- 对土壤中塑料产品中的PBAT进行定量分析。
- 与现有的微塑料定量分析技术进行比较。
主要结果
- 该方法成功地定量分析了微塑料和纳米塑料。
- NMR光谱法提供了一种可靠的定量分析替代方案。
- 结果表明土壤中存在小塑料碎片。
- 该技术可以标准化以供更广泛的研究使用。
结论
- 开发NMR方法使微塑料定量分析多样化。
- 标准化对于一致的研究结果至关重要。
- 需要进一步的研究来了解生物降解过程。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of polybutylene adipate terephthalate (PBAT) micro- and nano-plastics in soil is critical for evaluating the environmental persistence and degradation of biodegradable polymers. This NMR-based workflow enables accurate measurement of PBAT fragments, supporting predictive confidence in environmental fate studies and informing risk-adjusted decisions for sustainable material development. The method addresses a key inflection point in the discovery-to-validation continuum for biodegradable plastics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of PBAT degradation pathways and fragment persistence in complex soil matrices.
- Supports biological de-risking by quantifying residual micro- and nano-plastics post-biodegradation.
- Facilitates predictive confidence in environmental safety profiles for new biodegradable materials.
Screening & Assay Development
- Prepares validated soil extraction and quantification systems for downstream environmental monitoring workflows.
- Standardizes quantification of PBAT across diverse soil types, enhancing reproducibility and comparability.
- Enables scalable, parallel processing of environmental samples for high-throughput screening of degradation outcomes.
Translational & Preclinical Research
- Aligns laboratory quantification of PBAT fragments with environmental impact assessments relevant to regulatory and translational studies.
- Supports continuity from material discovery through preclinical environmental validation by providing robust quantitative endpoints.
- De-risks advancement of biodegradable polymers by clarifying persistence and transformation in real-world matrices.
Pipeline & Workflow Integration
This NMR-based quantification method integrates into the environmental assessment pipeline from early discovery through preclinical validation of biodegradable materials.
- Discovery Biology: Provides quantitative endpoints for hypothesis testing on PBAT degradation and soil interaction mechanisms.
- Screening: Delivers reproducible, size-independent quantification of PBAT fragments for assay readiness and cross-study comparability.
- Analytics: Generates robust, quantitative NMR readouts to support statistical comparison of extraction efficiencies and degradation rates.
- Translational Research: Bridges laboratory findings with environmental impact studies, supporting biomarker alignment for regulatory submissions.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized, scalable protocol adaptable to various biodegradable polymers and soil types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in environmental fate and target validation for biodegradable plastics.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of micro- and nano-plastic quantification workflows.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for material advancement and reduces late-stage environmental risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of sustainable polymer candidates based on quantitative environmental endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in NMR spectroscopy and quantitative analytical chemistry.
- Needs access to solvent extraction infrastructure and high-field NMR instrumentation.
- Demands cross-team standardization of extraction and quantification protocols for reproducibility.
- May require adaptation for soils with high clay content or for other biodegradable polymers.
- Extraction efficiency varies by soil type and particle size, impacting sensitivity and comparability.
