环境研究中混合纳米塑料的分析

背景

微塑料指长度小于5毫米的塑料碎片，根据进入环境前是否已小于该尺寸，被划分为初生与次生两类。2014年估算数据显示，全球海洋中微塑料存量达15万亿至51万亿个（9.3万至23.6万公吨）¹。

纳米塑料虽无明确定义，通常指尺寸小于100或1000纳米的塑料碎片，同样可划分为初生与次生类型。尽管其影响尚未完全明确，纳米塑料因微小尺寸可穿透细胞膜，被认为对环境和人类健康构成更大风险。

常规分析技术

微塑料研究通常采用FTIR或拉曼光谱进行鉴定。对于大于10微米的颗粒，FTIR因操作简便性成为首选技术；而对更小颗粒，拉曼光谱凭借更高空间分辨率被采用，尽管存在荧光背景干扰、信号微弱及激光激发可能损伤样品等缺陷²。

光诱导力显微镜与光谱技术

虽然纳米塑料的存在已获确认，但由于缺乏纳米级化学分析技术，其浓度范围仍属未知。光诱导力显微镜（PiFM）与光诱导力红外光谱（PiF-IR）技术的出现，为此类表征提供了完美解决方案。

IR PiFM成为纳米塑料分析的理想工具，基于六大优势：（1）能对小至5纳米颗粒同时进行尺寸分类与化学鉴定；（2）可识别有机与无机纳米颗粒；（3）具备”透视”生物污染物薄层识别底层纳米颗粒的能力；（4）卓越灵敏度且完全无需考虑荧光干扰；（5）非接触、无损伤的测量特性；（6）样品制备要求简单。

样品分析

为验证PiFM的技术能力，我们分析了包含聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）及金纳米颗粒的四组分混合纳米颗粒样本。该样本通过滴涂法制备于聚赖氨酸基底之上，可有效模拟复杂多变的环境样品体系。

采用Vista One红外显微镜对样品表面进行原子力显微成像初步表征。图1以二维灰度与三维形态同步呈现样品形貌。若使用常规显微技术，此类微小颗粒的化学身份识别将无法实现。

随后使用Vista One系统对AFM图像中不同颗粒进行PiF-IR光谱采集。共获取三种特征光谱，图2显示其采集位置。将这些光谱与从互联网获取的各材料体相FTIR参考光谱进行对比。单个颗粒的PiF-IR光谱与体相FTIR光谱高度吻合，足以用于不同颗粒的化学身份鉴定。

完成材料鉴定后，可利用PiFM成像创建化学分布图谱。通过不同颗粒的特征振动谱带（PMMA：1732 cm⁻¹；PTFE：1158 cm⁻¹；PS：1493 cm⁻¹）分别获取突出各类纳米颗粒的PiFM图像。

金纳米颗粒成像更具挑战性，因其缺乏红外活性谱带。然而当探针位于金颗粒上方时，针尖增强场效应会增强，导致背景PiFM信号升高。因此可选择1800 cm⁻¹等无其他颗粒振动谱带的波数区域实现金纳米颗粒成像。有趣的是，由于PTFE颗粒相关的背景信号增强，其在1800 cm⁻¹处也呈现显像特征，这可能源于探针在PTFE颗粒上方时略微不同的机械性针尖-样品相互作用。

通过上述方法，我们最终获得四幅PiFM化学浓度分布图，清晰呈现所有四类纳米颗粒的定位信息。完整图像组如图3所示。

随后利用Vista One的原子力显微功能测量颗粒实际尺寸。图4展示了四个代表性颗粒的截面形貌。在原子力显微镜中，探针针尖曲率半径会导致颗粒横向尺寸扩张；对于球形颗粒，其高度测量值可准确反映真实粒径。基于高度测量结果，可得PTFE、PMMA、PS及金纳米颗粒的尺寸分别约为190 nm、40 nm、70 nm与10 nm。

为整合数据集，将PiFM化学成像与3D原子力显微镜形貌图进行叠加合成。图5展示了合成结果：金纳米颗粒与PTFE标为绿色，PS标为红色，PMMA标为蓝色。此类图像不仅提供样本的直观易懂的视角，更清晰地表明仅凭形貌图中的尺寸或其他特征无法实现纳米颗粒分类。这充分证明了PiFM与PiF-IR技术在复杂纳米体系分析中不可或缺的价值。

总结

综上所述，光诱导力显微镜（PiFM）与光诱导力红外光谱（PiF-IR）技术能以前所未有的空间分辨率，实现对纳米塑料颗粒及其他无机/生物纳米颗粒的化学识别与尺寸测量，为环境取证研究提供关键技术支撑³。本研究样本可作为环境样品中复杂体系的替代模型，证明PiFM与PiF-IR技术在现代显微分析领域具有不可替代的重要价值。

参考文献

1. Sebille, Erik van. “Far more microplastics floating in oceans than thought”. The Conversation. Retrieved 2021-07-07.
2. C. F. Araujo et al., Identification of microplastics using Raman spectroscopy: Latest developments and future prospects, Water Research 142, 426 (2018)
3. For more application notes on inorganics and biological samples, visit https://molecularvista.com/applications/.