原子力-红外光谱技术检测单个微纳塑料粒子

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250073

摘要/Abstract

摘要：

微纳塑料作为新污染物，有关微纳塑料粒子的识别与鉴定已得到广泛关注。本研究采用原子力-红外光谱（AFM-IR）技术，对研磨法制备的聚丙烯（Polypropylene， PP）微纳塑料进行单颗粒表征与分析。结果表明，AFM-IR技术不仅能精确表征聚丙烯微纳塑料单颗粒的形貌和尺寸分布，还可通过红外光谱准确解析其化学组成信息。进一步利用AFM-IR技术对从海滩环境中采集的老化微纳塑料粒子进行分析，成功鉴定了聚丙烯和聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）的存在。此外，红外光谱在1720 cm^-1处观察到CO吸收峰，表明老化微塑料发生了氧化反应，与未老化塑料的光谱特征存在显著差异。本研究为微塑料和纳米塑料的高精度检测提供了新方法，并为评估其环境行为与生态风险奠定了技术基础。

关键词: 聚丙烯, 微塑料, 纳米塑料, 原子力-红外光谱

Abstract:

As emerging pollutants the recognition and identification of micro/nano plastic particles has received extensive attention. In this study， atomic force microscopy-infrared spectroscopy （AFM-IR） was employed to characterize and analyze individual polypropylene （PP） micro- and nanoplastic particles prepared by grinding. The results demonstrate that AFM-IR not only precisely characterizes the morphology and size distribution of individual PP particles but also accurately resolves their chemical composition through infrared spectroscopy. Furthermore， AFM-IR was utilized to analyze aged microplastics and nanoplastics collected from beach environments， successfully identifying the presence of PP and polydimethylsiloxane （PDMS） particles. Additionally， the observation of a CO absorption peak at 1720 cm^-1 in the infrared spectra indicates oxidation reactions in aged microplastics， revealing significant differences compared to the spectral features of unaged plastics. This study provides a novel approach for the high-precision detection of microplastics and nanoplastics and lays a technical foundation for assessing their environmental behavior and ecological risks.

Key words: Polypropylene, Microplastic, Nanoplastic, Atomic force microscopy-infrared

中图分类号:

O654

方慧瑶, 林园, 苏朝晖. 原子力-红外光谱技术检测单个微纳塑料粒子[J]. 应用化学, 2025, 42(8): 1070-1077.

Hui-Yao FANG, Yuan LIN, Zhao-Hui SU. Application of Atomic Force Microscopy-Infrared for Single Micro- and Nanoplastics[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2025, 42(8): 1070-1077.

图/表 5

图1 （A-C）粉碎聚丙烯颗粒的AFM图；（D）厚度与水平尺寸关系图；（E）厚度频率分布图；（F）水平尺寸频率分布图

Fig.1 （A-C） AFM image of crushed polypropylene particles；（D） Thickness and horizontal dimension diagram；（E） Frequency distribution of thickness；（F） Frequency distribution of horizontal size

图2 （A、C、E）不同尺寸塑料颗粒的AFM图：（A）颗粒1.（2.47±0.18） μm/805 nm；（C）颗粒2.（836±184） nm/447 nm；颗粒3.（ 600±120） nm/274 nm；颗粒4.（700±127） nm/205 nm；颗粒5.（668±297） nm/253 nm；（E）颗粒6.（495±101） nm/217 nm和（B、D、F）对应的AFM-IR光谱

Fig.2 （A， C， E） AFM images of plastic particles of varying sizes：（A） Particles 1.（2.47±0.18） μm/805 nm；（C） Particles 2.（836±184） nm/447 nm； Particles 3.（600±120） nm/274 nm； Particles 4.（700±127） nm/205 nm； Particles 5.（668±297） nm/253 nm；（E） Particles 6.（495±101） nm/217 nm；（B， D， F） The corresponding AFM-IR spectra

图3 制备微纳塑料的流程图

Fig.3 Schematic diagram of the micro- and nanoplastic preparation process

图4 （A）消解处理后塑料碎片的照片和（B）对应红外光谱以及等规聚丙烯的标准谱

Fig.4 （A） Images of plastic fragments after digestion treatment and （B） their corresponding infrared spectra， and the standard spectrum of isotactic polypropylene

图5 （A、C、E）不同形状颗粒的AFM图，颗粒①：（543±79） nm/230 nm，颗粒②：（1.27±0.27） μm/521 nm，颗粒③：（1.62±0.25） μm/495 nm；（B、D、F）标记位置采集其红外光谱，虚线光谱分别是谱库中聚二甲基硅氧烷和聚丙烯的标准光谱

Fig.5 （A， C， E） AFM images of different shapes of particles， particles ①：（543±79） nm/230 nm， particles ②：（1.27±0.27） μm/521 nm， particles ③：（1.62±0.25） μm/495 nm；（B， D， F） Marker locations to acquire their infrared spectra， and the dotted line spectra are the standard spectra for polydimethylsiloxane and polypropylene respective in a spectral library

参考文献 30

[1]	THOMPSON R C， MOORE C J， VOM SAAL F S， et al. Plastics， the environment and human health： current consensus and future trends［J］. Philos Trans R Soc B， 2009， 364（1526）： 2153-2166.
[2]	HARTMANN N B， HÜFFER T， THOMPSON R C， et al. Are we speaking the same language？ recommendations for a definition and categorization framework for plastic debris［J］. Environ Sci Technol， 2019， 53（3）： 1039-1047.
[3]	HAN M， LIU H， ZHU T， et al. Toxic effects of micro（nano）-plastics on terrestrial ecosystems and human health［J］. TrAC， Trends Anal Chem， 2024， 172： 117517.
[4]	BAEZA-MARTÍNEZ C， OLMOS S， GONZÁLEZ-PLEITER M， et al. First evidence of microplastics isolated in European citizens′ lower airway［J］. J Hazard Mater， 2022， 438： 129439.
[5]	AGEEL H K， HARRAD S， ABDALLAH M A E. Occurrence， human exposure， and risk of microplastics in the indoor environment［J］. Environ Sci： Processes Impacts， 2022， 24（1）： 17-31.
[6]	FRANZOSA E A， SIROTA-MADI A， AVILA-PACHECO J， et al. Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease［J］. Nat Microbiol， 2019， 4（2）： 293-305.
[7]	YIN K， WANG Y， ZHAO H， et al. A comparative review of microplastics and nanoplastics： toxicity hazards on digestive， reproductive and nervous system［J］. Sci Total Environ， 2021， 774： 145758.
[8]	DONG X， LIU X， HOU Q， et al. From natural environment to animal tissues： a review of microplastics（nanoplastics） translocation and hazards studies［J］. Sci Total Environ， 2023， 855： 158686.
[9]	CUI Y， YIN K， ZHENG Y， et al. Mixed plasticizers aggravated apoptosis by NOD2-RIP2-NF-κB pathway in grass carp hepatocytes［J］. J Hazard Mater， 2021， 402： 123527.
[10]	JUNG S， CHO S H， KIM K H， et al. Progress in quantitative analysis of microplastics in the environment： a review［J］. Chem Eng J， 2021， 422： 130154.
[11]	THOMPSON R C， COURTENE-JONES W， BOUCHER J， et al. Twenty years of microplastic pollution research-what have we learned？［J］. Sci， 2024， 386（6720）： eadl2746.
[12]	GUO X， LIN H， XU S， et al. Recent advances in spectroscopic techniques for the analysis of microplastics in food［J］. J Agric Food Chem， 2022， 70（5）： 1410-1422.
[13]	CHOI S， LEE S， KIM M K， et al. Challenges and recent analytical advances in micro/nanoplastic detection［J］. Anal Chem， 2024， 96（22）： 8846-8854.
[14]	SOHAIL M， UROOJ Z， NOREEN S， et al. Micro- and nanoplastics： contamination routes of food products and critical interpretation of detection strategies［J］. Environ Chem Lett， 2023， 891： 164596.
[15]	XIE J， GOWEN A， XU W， et al. Analysing micro- and nanoplastics with cutting-edge infrared spectroscopy techniques： a critical review［J］. Anal Methods， 2024， 16（15）： 2177-2197.
[16]	SCHWAFERTS C， NIESSNER R， ELSNER M， et al. Methods for the analysis of submicrometer- and nanoplastic particles in the environment［J］. TrAC Trends Anal Chem， 2019， 112： 52-65.
[17]	LI Y， WANG Z， GUAN B. Separation and identification of nanoplastics in tap water［J］. Environ Res， 2022， 204： 112134.
[18]	LI Y， ZHANG C， TIAN Z， et al. Identification and quantification of nanoplastics （20~1000 nm） in a drinking water treatment plant using AFM-IR and Pyr-GC/MS［J］. J Hazard Mater， 2024， 463： 132933.
[19]	HOSSAIN M D， SHAHID M A， MAHMUD N， et al. Research and application of polypropylene： a review［J］. Discover Nano， 2024， 19（1）： 2.
[20]	HWANG J， CHOI D， HAN S， et al. An assessment of the toxicity of polypropylene microplastics in human derived cells［J］. Sci Total Environ， 2019， 684： 657-669.
[21]	LEE S， KIM D， KANG K K， et al. Toxicity and biodistribution of fragmented polypropylene microplastics in ICR mice［J］. Int J Mol Sci， 2023， 24（10）： 8463.
[22]	TOMONAGA T， HIGASHI H， IZUMI H， et al. Investigation of pulmonary inflammatory responses following intratracheal instillation of and inhalation exposure to polypropylene microplastics［J］. Part Fibre Toxicol， 2024， 21（1）： 29.
[23]	ANDREASSEN E. Polypropylene： an A-Z reference［M］. Dordrecht： Springer Netherlands， 1999： 320-328.
[24]	SONG Y K， HONG S H， EO S， et al. Rapid production of micro- and nanoplastics by fragmentation of expanded polystyrene exposed to sunlight［J］. Environ Sci Technol， 2020， 54（18）： 11191-11200.
[25]	SORASAN C， EDO C， GONZÁLEZ-PLEITER M， et al. Ageing and fragmentation of marine microplastics［J］. Sci Total Environ， 2022， 827： 154438.
[26]	杜方旎. 水体和沉积物样品中小粒级微塑料和纳米塑料的分析方法研究［D］. 上海：华东师范大学， 2024.
	DU F N. The analysis methods of small-size microplastics and nanoplastics in water and sediment samples［D］. Shanghai： East China Normal University， 2024.
[27]	GARDETTE M， PERTHUE A， GARDETTE J L， et al. Photo- and thermal-oxidation of polyethylene： comparison of mechanisms and influence of unsaturation content［J］. Polym Degrad Stab， 2013， 98（11）： 2383-2390.
[28]	RJEB A， TAJOUNTE L， EL IDRISSI M C， et al. IR spectroscopy study of polypropylene natural aging［J］. J Appl Polym Sci， 2000， 77（8）： 1742-1748.
[29]	PHAN S， PADILLA-GAMIÑO J L， LUSCOMBE C K. The effect of weathering environments on microplastic chemical identification with Raman and IR spectroscopy： part Ⅰ. polyethylene and polypropylene［J］. Polym Test， 2022， 116： 107752.
[30]	SMITH A L. Infrared spectra-structure correlations for organosilicon compounds［J］. Spectrochim Acta， 1960， 16（1）： 87-105.