收稿日期：2023-09-01；修回日期：2023-10-07。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81471703， 61675044）；福建省重大專項(xiàng)專題項(xiàng)目（2021YZ040012）。

作者簡介：崔勝東，博士研究生。

* 通信作者：黃正，教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)和光醫(yī)學(xué)研究。E-mail： huangz@fjnu.edu.cn。

崔勝東 李永增 彭偉金 柯城 張先增 王敏 黃正

摘 要：塑料的發(fā)明和應(yīng)用已逾百年，給日常生活帶來了極大的便利。塑料制品及成分經(jīng)過破碎降解后形成微塑料（MPs），環(huán)境中的MPs可進(jìn)入飲用水，其污染和潛在的健康危害逐漸受到重視。MPs的定性和定量檢測仍處于發(fā)展階段，拉曼光譜（RS）是目前較常用的一種較靈敏的非破壞性的無損光學(xué)分析技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹了飲用水中MPs的來源、潛在危害以及RS檢測的研究進(jìn)展，旨在提高對飲用水中MPs污染的認(rèn)知和對研發(fā)MPs檢測技術(shù)的重視。

關(guān)鍵詞：微塑料；飲用水；危害；拉曼光譜；檢測

中圖分類號：O657.37? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1007-7146.2024.01.002

Microplastics in Drinking Water and Research Progress of Raman Spectroscopy Detection Technique

CUI Shengdong， LI Yongzeng， PENG Weijin， KE Cheng， ZHANG Xianzeng， WANG Min， HUANG Zheng*

（MOE Key Laboratory of Medical Optoelectronics Science and Technology， Key Laboratory of Photonics Technology of Fujian Province， School of Optoelectronics and Information Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）

Abstract： Plastics were invented a century ago and utilized by human being ever since， which bring tremendous convenience to our daily life. Plastic products and constituents can break down into microplastics （MPs） while undergoing combined physical， chemical， and biological processes. MPs in the environments might enter into the drinking water. Such contamination and potential health risks gradually become concerns. The qualitative and quantitative detection of MPs is still in its developmental stage. Raman spectroscopy （RS） is one of the commonly used sensitive， non-invasive and non-destructive optical methods in MPs analysis. This article primarily focuses on the sources， potential hazards of MPs in drinking water， and research advancements in RS technology， in order to promote better understanding of MPs contamination and drawattention to the research and development of MPs detection technology.

Key words： microplastics; drinking water; hazards; Raman spectroscopy; detection

（Acta Laser Biology Sinica， 2024， 33（1）： 014-023）

塑料（plastic）是常溫下可保持形狀不變的高分子材料（macromolecules），主要成分是天然或合成樹脂，通過添加各種助劑，在一定溫度和壓力條件下塑制成一定的形狀。1907年，Leo Baekeland 發(fā)明酚醛樹脂開啟了塑料時(shí)代，至今，人類使用塑料已有百余年。塑料給人們的生活帶來了極大的便利，但由于其難以分解，廢棄塑料造成的“白色污染”日益嚴(yán)重。Thompson等［1］于2004年首次提出微塑料（micro-plastics，MPs）的概念，MPs的污染和潛在的危害逐漸受到重視。2014年，聯(lián)合國環(huán)境大會將海洋塑料垃圾污染列為“十大緊迫環(huán)境問題之一”。不僅僅是海洋，研究顯示，陸地上的MPs也已進(jìn)入飲用水（drinking water）。一項(xiàng)對全球多個(gè)城市的150多個(gè)自來水（tap water）樣品的檢測結(jié)果顯示，81%的水樣含有MPs成分［2］；2017年的一份飲用水檢測結(jié)果顯示，有83%的飲用水樣含有MPs，表明陸地水源已受到MPs污染［3］。2019年，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）在《飲用水中的微塑料》報(bào)告中指出：目前在飲用水（包括瓶裝水和自來水）、空氣、食品、淡水、海水、廢水中都能檢測到MPs［4］。

MPs污染程度尚難以有效量化，目前還沒有形成MPs定性和定量檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法。取樣、樣品制備、檢測以及鑒定技術(shù)仍處于發(fā)展階段。文獻(xiàn)中報(bào)道的MPs濃度和顆粒大小常有幾個(gè)數(shù)量級的差異［5］。報(bào)道的分析方法包括拉曼光譜（Raman spectroscopy，RS）、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR）、衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectrometry，ATR-FTIR）、熱解氣相色譜-質(zhì)譜法（pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry，PY-GC-MS）和熱萃取-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（thermal extraction desorption-gas chromatography mass-spectrometry，TED-GC-MS）等［6-9］。RS和FTIR通過振動指紋識別MPs顆粒，且可提供聚合物的分子結(jié)構(gòu)信息，而其他方法則依賴于單體、聚合物或添加劑的質(zhì)譜信息。本文重點(diǎn)介紹飲用水中MPs的來源、潛在危害以及拉曼檢測方面的研究進(jìn)展。

1 MPs簡介

MPs的定義尚未統(tǒng)一。2009年，美國國家海洋和大氣管理局將其定義為直徑<5 mm的所有形式的塑料顆粒［10］。目前，國內(nèi)外學(xué)者通常將尺寸在0.1 ?m～5 mm的塑料顆粒、纖維或者薄膜歸類為MPs［11］。可再生材料、生物降解和生物合成的生物塑料（bioplastics）也可形成MPs［12］。實(shí)際上很多MPs尺寸小至納米級，也稱為納米塑料（nano-plastics，NPs）。

生產(chǎn)制造的微觀尺寸的MPs被定義為一級或初級（primary）MPs，如廣泛用于化妝品、防曬霜、沐浴露、牙膏和洗面奶中的配方成分，合成紡織品和服裝生產(chǎn)過程中釋放的微纖維等。二級或次級（secondary）MPs大多為大型塑料碎片在遭受紫外線輻射和機(jī)械磨損時(shí)，經(jīng)過物理、化學(xué)和生物的綜合過程破碎降解后的微小碎片，它們可從海岸線、河流和污水管道直接輸送到人類的生活環(huán)境中［13］。

對飲用水處理廠的水樣本以及用戶端水樣本的檢測結(jié)果顯示，有1/3的MPs顆粒是合成聚合物，主要有丙烯酸（acrylic）、醇酸（alkyd）、聚（乙烯：丙烯）［poly（ethylene：propylene）］、聚酰胺（polyamide，PA）、聚酯（polyester）、聚乙烯（polyethylene，PE）、聚甲基丙烯酸酯（poly-methyl acrylate）、聚丙烯（polypropylene，PP）和聚乙烯醇（polyvinyl-alcohol）［1］。我國北方某重要水源區(qū)淺層地下水中發(fā)現(xiàn)至少含有7種MPs，主要為PE、聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）和生物降解材料，如聚乳酸（polylactic acid，PLA）［14］。

2 人體中MPs的來源及危害

2.1 飲用水中MPs的主要來源

雖然淡水體受到的MPs污染較少，地下水的MPs豐度也很低，但飲用水中已發(fā)現(xiàn)MPs，供水鏈中的MPs顆?？赡芡ㄟ^飲水過程攝入人體［15］。飲用水中的MPs可能來自受污染的淡水資源，也可能來自供水系統(tǒng)，如水處理廠儲罐涂的環(huán)氧樹脂、塑料管道中的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）或PE和配件中PA的長時(shí)間磨損導(dǎo)致的塑料顆粒［6］。

瓶裝水中MPs的主要來源是瓶體材料或瓶蓋的磨損。瓶裝礦泉水（bottled mineral water）一般以城市自來水或者水質(zhì)較好的地表天然水作為水源，經(jīng)處理包裝后直接裝瓶。挪威的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，每升瓶裝水（bottled water）中平均有10.4個(gè)大小為6.5 ?m～100 ?m的MPs，主要是瓶蓋常用塑料成分PP［3］。玻璃瓶裝水中MPs潛在來源是塑料瓶蓋的磨損［16］。塑料瓶裝氣泡水（sparkling water）的壓力高于靜水，會增加塑料顆粒的釋放；回收過程中塑料包裝材料的磨損大大增加了MPs顆粒的產(chǎn)生，可回收礦泉水瓶中的MPs大約是一次性礦泉水瓶中的10倍［17］。

瓶裝水中MPs的另外一個(gè)來源是瓶身上標(biāo)簽的色素顆粒，其主要成分是二氧化鈦、藍(lán)色顏料PB15、抗氧化添加劑顆粒和材料老化形成的顆粒。其中90%顆粒的粒徑小于5 ?m， 40%顆粒的粒徑小于1.5 ?m。塑料標(biāo)簽或者紙質(zhì)標(biāo)簽與洗滌液直接接觸可使顏料顆粒進(jìn)入瓶子，一般的沖洗步驟還清除不了瓶內(nèi)的顏料顆粒［18］。

2.2 MPs進(jìn)入人體的其他方式

除經(jīng)飲水外，MPs還可以通過食物攝取、空氣吸入和皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體。由于海洋可以作為塑料廢棄物的最終存儲庫，而生活在海洋中的大多數(shù)魚類和雙殼類都是人類的重要食物來源［19］，攝入含MPs或NPs的海洋產(chǎn)品會增加其在人體中的積累。

一些食品或烹飪產(chǎn)品（罐頭食品、食鹽、啤酒、蜂蜜、糖），甚至塑料包裝的食品中也發(fā)現(xiàn)了MPs［20］，推測是源于食品制造過程中產(chǎn)生的MPs纖維的污染。

MPs和NPs可以通過空氣吸入進(jìn)入人體。MPs在室外占據(jù)的比例較小，但在室內(nèi)空氣顆粒物中占據(jù)不可忽略的比例［21］。暴露于空氣中24 h后，人體的手和面部皮膚及頭發(fā)表面即可檢測到MPs顆粒［22］。皮膚與空氣中的MPs長時(shí)間接觸會導(dǎo)致MPs顆粒滲透，滲透程度取決于顆粒的大小和濃度。

2.3 MPs的潛在危害

MPs顆?？赏ㄟ^多種途徑進(jìn)入人體，MPs的風(fēng)險(xiǎn)評估是一項(xiàng)不可或缺的工作。細(xì)胞和動物研究表明，攝入或吸入的MPs不能被降解，有可能造成多種生物效應(yīng)，包括物理（顆粒）毒性、氧化應(yīng)激、細(xì)胞因子分泌、細(xì)胞損傷、炎癥、免疫反應(yīng)等。

2.3.1 對胃部的影響

MPs進(jìn)入胃中可能會造成消化不良、胃損傷和炎癥。體外研究表明，NPs可誘導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激、凋亡和自噬細(xì)胞死亡［11］。將PE-MPs與幽門螺旋桿菌（Helicobocton pyloni）混合植入BALB/c小鼠（Mus musculus）體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其胃器官指數(shù)、髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）水平最高。這表明，MPs與幽門螺旋桿菌相互作用促進(jìn)了細(xì)菌在小鼠胃黏膜上皮細(xì)胞的快速生長和繁衍，提高了MPs進(jìn)入組織的效率，促使小鼠產(chǎn)生了胃損傷和炎癥，推測MPs可能為幽門螺桿菌提供了棲息地，并與其協(xié)同作用［23］。

2.3.2 對腸道的影響

飲用水和食物攝入的MPs和NPs顆粒會通過腸道吸收進(jìn)入血液和淋巴系統(tǒng)。暴露于MPs顆粒環(huán)境中的腸上皮細(xì)胞會發(fā)生變形和紊亂，破壞腸道屏障的完整性和損害黏液屏障。有報(bào)告顯示，粒徑>150 μm的MPs不太可能被人體吸收，但納米級（粒徑<0.1 μm）的NPs可以通過飲用水被腸胃吸收，且在高濃度時(shí)引發(fā)炎癥等癥狀［4］。

2.3.3 對肝臟的影響

經(jīng)腸道吸收的MPs可通過血液和淋巴系統(tǒng)進(jìn)入肝臟，導(dǎo)致肝臟脂質(zhì)代謝紊亂，如甘油三脂（triglyceride，TG）和總膽固醇（total cholesterol，T-CHO）顯著降低［24］。MPs的積累會導(dǎo)致能量和脂質(zhì)代謝中斷，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和神經(jīng)毒性反應(yīng)。小鼠食用MPs后，身體重量較對照組明顯減少，且細(xì)胞器存在明顯受損的現(xiàn)象。將小鼠暴露于MPs環(huán)境5周可導(dǎo)致肝臟和脂質(zhì)重量降低，肝臟中的TG和T-CHO均有所降低［25］。脂肪酸處理的肝臟器官模型研究證明了MPs是誘導(dǎo)肝臟毒性和脂肪毒性的潛在機(jī)制，并觀察到MPs可增加肝細(xì)胞核因子4和細(xì)胞色素P450 2E1的表達(dá)。MPs除了可導(dǎo)致肝臟脂肪變性，對肝纖維化和肝癌也有潛在風(fēng)險(xiǎn)［26］。

2.3.4 對肺部的影響

肺泡具有<5 μm的氣-血屏障和較大的表面積，是MPs顆粒的最佳吸附位置，因此，吸入的MPs或NPs顆粒主要集中在肺部。吸入肺部的顆粒不能被生物降解，一旦吸入，MPs顆粒會長期積聚在肺組織中［27］。長期接觸MPs顆粒會導(dǎo)致肺部疾病，包括哮喘和塵肺病等［28］。流行病學(xué)研究顯示，相關(guān)環(huán)境顆粒暴露研究中觀察到的結(jié)果與暴露于大量塑料環(huán)境中的紡織行業(yè)工人的肺部損傷相似，包括炎癥、纖維化和過敏等［16］。

2.3.5 對生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)的影響

MPs會導(dǎo)致代謝紊亂和內(nèi)分泌系統(tǒng)失衡，從而影響生殖系統(tǒng)。小鼠食用MPs后，平均每只母鼠產(chǎn)幼崽的數(shù)量、幼崽的性別比和幼崽的體質(zhì)量均可發(fā)生顯著變化［25］。聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂NPs會釋放有害化學(xué)物質(zhì)雙酚A（bisphenol A，BPA），進(jìn)入身體后會引起全身性炎癥，同時(shí)會影響內(nèi)分泌系統(tǒng)，導(dǎo)致激素失調(diào)。

MPs和NPs顆粒可能會傷害心血管系統(tǒng)。在斑馬魚（Danio rerio）的研究中發(fā)現(xiàn)，NPs顆粒主要積聚在心包囊，且在濃度較高的情況下觀察到斑馬魚的心率下降了5%～10%［29］。

MPs可能從環(huán)境中吸附有機(jī)磷阻燃劑（organophosphate flame retardants，OPFRs），當(dāng)它們被生物體攝入時(shí)，會引起綜合毒性，誘導(dǎo)產(chǎn)生更大的氧化應(yīng)激和神經(jīng)毒性，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)功能［30］。

2.3.6 細(xì)胞毒性

MPs和NPs理化毒性的體外試驗(yàn)研究多采用人源細(xì)胞，如血細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和癌細(xì)胞等細(xì)胞模型［31］。

Goodman等［27］將培養(yǎng)的人類肺泡A549細(xì)胞暴露于直徑為1 μm和10 μm的MPs中，發(fā)現(xiàn)兩種不同尺寸的MPs都會影響細(xì)胞增殖，但細(xì)胞毒性較小，在72 h后細(xì)胞吸收多個(gè)1 μm的MPs，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變。Choi等［32］在研究中發(fā)現(xiàn)，人外周血單核細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的物理毒性受顆粒濃度和粗糙度的影響，化學(xué)毒性由MPs中的化學(xué)物質(zhì)引起，MPs釋放的化學(xué)物質(zhì)使免疫細(xì)胞的急性炎癥反應(yīng)增加了20倍，并促進(jìn)了活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡，而癌細(xì)胞的耐受性較正常細(xì)胞要強(qiáng)。Florance等［33］對小鼠巨噬細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，50 μg/mL的NPs可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞分化為泡沫細(xì)胞，100 μg/mL和200 μg/mL的NPs會導(dǎo)致ROS增多、損害巨噬細(xì)胞中的溶酶體和誘導(dǎo)脂質(zhì)積累。Forte等［34］對胃腺癌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，44 nm的NPs在胃腺癌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中的積累比100 nm的NPs更快，NPs積累會影響細(xì)胞活力和細(xì)胞形態(tài)，44 nm的NPs可誘導(dǎo)胃病中的細(xì)胞因子IL-6和IL-8上調(diào)。

3 飲用水中MPs的RS檢測與分析

3.1 RS基本原理

1928年，印度科學(xué)家拉曼（C. V. Raman）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光照射在液體表面時(shí)大部分光會發(fā)生彈性散射，極少一部分發(fā)生非彈性散射。彈性散射光與激發(fā)光波長相同，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering）；非彈性散射光的波長會發(fā)生改變，其波長的改變由測試樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射（Raman scattering）。拉曼因這一重要發(fā)現(xiàn)獲得了1930年的諾貝爾物理學(xué)獎。

如圖1所示，當(dāng)處于振動基態(tài)E0的分子受到能量為hυ0入射光的激發(fā)，躍遷至受激虛能級E0+ hυ0，由于虛能級不穩(wěn)定，分子立即回到基態(tài)E0，產(chǎn)生能量為hυ0的散射光。同樣地，處于振動激發(fā)態(tài)E1的分子受到入射光激發(fā)后，立即躍遷至受激虛能級E1+hυ0，又立刻回到振動激發(fā)態(tài)E1，也發(fā)出能量為hυ0的散射光。這種瑞利散射光沒有發(fā)生能量改變。如果處于振動基態(tài)E0的分子在被入射光激發(fā)躍遷至受激虛能級后，沒有躍遷回原本的振動基態(tài)E0，而是躍遷至振動激發(fā)態(tài)E1，此時(shí)，產(chǎn)生能量為Er1（hυ0-hΔυ）的散射光，稱為斯托克斯拉曼散射（Stokes-Raman scattering）。同理，原本處于振動激發(fā)態(tài)E1的分子，在被能量為hυ0的光子激發(fā)躍遷至受激虛能級E1+hυ0后，躍遷到振動基態(tài)E0，這時(shí)，則會產(chǎn)生能量為Er2（hυ0+hΔυ）的散射光，稱為反斯托克斯拉曼散射（anti-Stokes Raman scattering）。

一定頻率的激發(fā)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，其非彈性散射光的波長變化僅由物質(zhì)的種類和化學(xué)結(jié)構(gòu)等決定，利用這種“拉曼指紋”特性可以獲得樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的豐富信息。RS檢測技術(shù)具有樣本預(yù)處理簡單、靈敏度高、無損和快速等優(yōu)點(diǎn)。由于水的RS非常微弱，因此，RS特別適合應(yīng)用于水樣中的MPs成分的檢測。

拉曼散射截面小的樣品信號容易被背景熒光淹沒，如果樣品吸附在粗糙銀基底表面上，其拉曼散射信號會得到顯著增強(qiáng)，這種增強(qiáng)效應(yīng)稱為表面增強(qiáng)拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）［36］。SERS技術(shù)增大了拉曼散射截面，通過在金屬（多為金、銀等貴金屬）或半導(dǎo)體表面制備納米結(jié)構(gòu)，可大幅提高樣品的拉曼信號強(qiáng)度，很大程度上避免了熒光背景的干擾，從而實(shí)現(xiàn)對微量物質(zhì)的高靈敏度檢測，也是MPs檢測中常用的技術(shù)［37］。

RS與顆粒分析儀、高分辨顯微鏡和共焦顯微技術(shù)聯(lián)合使用則可獲得水樣中MPs顆粒的數(shù)量、形狀、大小和分子化學(xué)結(jié)構(gòu)等更多信息。

顆粒分析儀無需對顆粒標(biāo)記，并能夠自動對識別的顆粒進(jìn)行分析，如單粒子探測器（single particle explorer，SPE）。SPE結(jié)合RS可獲得水中MPs顆粒的數(shù)量、形狀、大小以及單個(gè)MPs顆粒的“光譜指紋”等信息。使用SPE每次最多可分析5 000個(gè)顆粒，可識別的最小尺寸為1 ?m［17］。

由于水中的MPs顆粒尺寸小，通常需要通過高分辨顯微鏡觀察和成像。RS結(jié)合圖像分析技術(shù)，可用于水樣MPs的鑒別。拉曼光譜成像是一種結(jié)合RS和光學(xué)成像的混合模式，通過MPs的折射和反射等特性，經(jīng)過光學(xué)成像獲得MPs的形態(tài)和尺度信息，并通過采集空間中每個(gè)像素處的RS信息，將分子信息在空間上展現(xiàn)，并定性、定量與定位地分析MPs［38］。

共聚焦顯微拉曼光譜是一種集成了共聚焦顯微鏡和拉曼光譜儀的高分辨率光學(xué)成像技術(shù)。其特點(diǎn)主要在于共聚焦孔被放置在共軛焦平面上，只有來自樣品焦平面的RS信號才能被光譜儀檢測到，因此，系統(tǒng)具有極高的軸向和橫向空間分辨率［39］。同時(shí)，若結(jié)合使用高精度的xyz三維平臺，可實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)掃描，獲得MPs的高分辨率圖像。RS與共焦顯微技術(shù)結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)對樣品的光譜檢測，還可以實(shí)現(xiàn)MPs樣品形態(tài)的三維成像［40］。

3.2 RS檢測

3.2.1 樣本處理

在取樣、制備和分析過程中減少樣品污染風(fēng)險(xiǎn)和避免外來因素的干擾非常重要，通常要使用過濾器對樣品進(jìn)行過濾、干燥并儲存在密封容器中以防污染。如測量自來水中的MPs時(shí)，可先溶解碳酸鈣、碳酸鎂和鐵沉淀物，然后用0.2 μm的氧化鋁過濾器過濾，將過濾器干燥并存儲在玻璃器皿中［41］。水樣中的有機(jī)物可使用過氧化氫去除，采用玻璃真空過濾裝置，通過孔徑為5 μm和0.2 μm的聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）膜進(jìn)行過濾，并將濾膜放入30℃的烤箱中干燥后放置在載玻片上進(jìn)行RS分析［42］。試驗(yàn)人員應(yīng)穿戴純棉實(shí)驗(yàn)服和丁腈手套，所有材料在使用前都要用無MPs去離子水徹底清洗。試驗(yàn)溶液和玻璃器皿用鋁箔覆蓋，儲存和運(yùn)輸過程中要避免空氣污染。使用樣本溶液反復(fù)清洗容器，以去除其他MPs污染，并避免使用塑料器皿［43］。

3.2.2 RS檢測方法和結(jié)果

由于分子振動模式不同，通常有多個(gè)峰被激發(fā)，如在固體樣品中會出現(xiàn)一些低頻振動和高頻振動，這些振動模式會在RS中表現(xiàn)為不同的峰。MPs的不同峰值代表不同的化學(xué)鍵和官能團(tuán)，如PE的RS通常會在1 050 cm-1～1 150 cm-1有兩個(gè)峰值，對應(yīng)的是C-C拉伸振動，在1 296 cm-1、1 370 cm-1、1 448 cm-1、2 845 cm-1和2 886 cm-1處都有譜峰，分別代表CH2的扭曲、擺動、對稱變形、對稱拉伸和反對稱拉伸［44］。

飲用水中MPs的主要聚合類型有PS、PP、PE和PET，其光譜數(shù)據(jù)如圖2所示。這些聚合物的指紋區(qū)覆蓋范圍為200 cm-1～1 800 cm-1。從圖中可以看出，由于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，每種聚合物的光譜指紋區(qū)所對應(yīng)的峰值各有不同，其中Nylon、PET、PS、PP和PE的最大峰值分別為1 631 cm-1、1 615 cm-1、1 603 cm-1、1 465 cm-1和1 294 cm-1［45］。

需要注意的是，不同的激發(fā)波長、功率和放大倍數(shù)會影響識別MPs顆粒的尺寸大小以及所能識別的聚合物類型。Schymanski 等［17］使用波長為532 nm和785 nm，功率小于50 mW的RS和SPE對不同包裝的礦泉水分析，檢測出礦泉水中80%的MPs顆粒小于20 ?m，其主要聚合物為PET和PP。

Weber等［43］采用波長為785 nm，功率為20 mW，10倍物鏡的共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測出飲用水中最小尺寸為1 μm的PE、PP、PET、PA和PVC。Siegel等［46］使用波長為532 nm，功率為5 mW或10 mW，20倍物鏡的共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測出飲用水中最小尺寸為100 μm的PE、PP、PET、PA和PVC。Pittroff等 ［47］使用波長為532 nm，功率為7.0 mW～15.5 mW，10倍或20倍的共聚焦顯微拉曼光譜儀檢測出最小尺寸為5 μm的PE、PP、PET和PA。

瓶裝水和各種各樣的氣泡水、礦泉水已成為人類飲水的重要種類。瓶裝水以城市自來水或者水質(zhì)較好的地表天然水作為水源，經(jīng)處理后直接裝瓶，在裝瓶或運(yùn)輸過程中，瓶體材料或瓶蓋磨損可能會釋放MPs。Wiesheu等［48］使用波長為532 nm、50倍放大物鏡的共聚焦顯微拉曼光譜系統(tǒng)檢測瓶裝礦泉水中MPs的種類及大小。如圖3所示，瓶裝礦泉水中MPs的拉曼光譜在1 296 cm-1、1 608 cm-1、1 717 cm-1等處有譜峰，這與參考PET的RS譜峰重合，表明瓶裝礦泉水中存在PET纖維MPs，其他MPs主要還有PE、PS等，大小為1 ?m～5 000 μm。

Kankanige等［49］使用波長為672 nm的共聚焦顯微拉曼光譜系統(tǒng)在瓶裝水中檢測出1 μm～50 μm的PET、PE、PP和PA。Schymanski等［17］分別使用10×、20×和 50×物鏡，波長為532 nm和785 nm的功率可調(diào)顯微拉曼光譜系統(tǒng)觀察到裝有氣泡水的瓶子中的MPs顆粒較多，顯示由于氣泡水瓶中的較高壓力會導(dǎo)致更多MPs顆粒釋放。他們還在不同包裝的礦泉水中檢測到MPs顆粒的最小尺寸為5 μm，主要成分不僅包含常見聚合物，還發(fā)現(xiàn)了光譜類似 “藍(lán)色丁腈手套”“氦原藍(lán)”和“聚丙烯藍(lán)瓶蓋”的顆粒［17］。

飲用水中的MPs還可能來自受污染的淡水資源、飲用水處理廠的塑料管道、配件磨損。Pivokonsky等［42］使用波長為532 nm的共聚焦顯微RS對從飲用水處理廠獲得的原水和經(jīng)過處理的水樣本進(jìn)行分析，在所有的樣本中都發(fā)現(xiàn)了MPs，且95%的MPs粒徑小于10 μm，主要為PE、PP、PET。值得注意的是，Tong等［41］使用波長為785 nm、50×物鏡的共聚焦顯微RS檢測了從中國不同城市采集的38份自來水樣本，結(jié)果顯示，MPs粒徑范圍為3 ?m～4 453 μm，多數(shù)MPs粒徑小于50 μm，主要成份是PE和PP。因此，自來水中MPs的存在不容忽視，應(yīng)高度重視MPs的來源，尤其是小尺寸的MPs。

以上研究顯示，使用共聚焦顯微拉曼光譜能夠檢測飲用水中尺寸較小的MPs。表1列出了RS聯(lián)合顯微成像和圖像分析技術(shù)檢測出的各種水樣的MPs粒子聚合物類型、尺寸大小和測量設(shè)備?？梢钥闯觯煌难芯拷M利用不同的系統(tǒng)和技術(shù)所檢測出來的MPs化學(xué)物質(zhì)有一定差異，表明在不同地域采集的樣本所含有的MPs不一樣，顆粒尺寸范圍也較大。

國內(nèi)外研究還顯示，在水樣MPs和NPs的檢測和類別識別中，SERS有一定的優(yōu)勢，可大幅提高樣品的RS信號強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低濃度和小尺寸的MPs和NPs等微量物質(zhì)的高靈敏度檢測［51］。Zhang等［54］使用了一種具有三角形腔陣列的高效SERS有源基底，檢測出瓶裝水中最小尺寸為50.0 nm、平均尺寸為88.2 nm的PET-NPs，含量約為每毫升108個(gè)。Mikac等［51］制備了4種不同尺寸的金納米顆粒（Au NPs）作為基底，利用SERS技術(shù)檢測PE和PS顆粒制成的純水樣本。結(jié)果顯示，PS顆粒具有穩(wěn)定高效的SERS信號，且最低檢測質(zhì)量濃度為6.5 μg/mL，但很難獲取PE顆粒的SERS信號 。對于PS的SERS檢測，銀更適合作為增強(qiáng)基底，金作為增強(qiáng)基底具有一定的挑戰(zhàn)性，但與銀相比，金在抗氧化性、生物相容性等方面具有一定的優(yōu)勢。

3.3 RS判別與分類

MPs的種類繁多，體積小且復(fù)雜，RS分析數(shù)據(jù)量非常大，同時(shí)背景復(fù)雜，光譜間差異較小，從復(fù)雜的光譜信號中提取微弱的有用信息，并建立滿足需要的校正模型是定性和定量分析的關(guān)鍵。多元統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合RS技術(shù)，利用處理后的光譜和待測屬性值之間建立的多元校正模型，可對樣本進(jìn)行快速可靠地分類和識別，為復(fù)雜體系的無損、快速定量分析提供了一種新的手段。常用的多元統(tǒng)計(jì)處理方法一般包括特征提取、建立模型、分類和判別等步驟。常用的特征提取方法包括主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。提取關(guān)鍵信息后，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并建立分類模型或識別模型，用于對新的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或識別。常見的分類和識別方法包括支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks，CNN）［55］。

Jin等［56］利用RS結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法研究了7種不同MPs的RS，使用PCA、偏最小二乘法以及SVM對光譜進(jìn)行判別分類。SVM對PP、PET、PVC、PC和PA的分類準(zhǔn)確率超過 98%，對高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的分類準(zhǔn)確率超過70%。同時(shí)，他們測量了真實(shí)環(huán)境下礦泉水瓶和果汁瓶中的MPs樣本，其判別靈敏度、特異性和準(zhǔn)確度分別為98.1%，99.4%和99.1% 。Ren等［55］利用CNN判別了10種MPs的RS，最終結(jié)果表明，CNN的平均分類準(zhǔn)確率可以達(dá)到96.43%和95.60%。因此，使用CNN能夠建立高效的自動分析方法，準(zhǔn)確地識別MPs。這些研究結(jié)果證明，RS與多元分析相結(jié)合是鑒別MPs類型的理想工具，在MPs自動檢測方面具有巨大的潛力［57］。

3.4 RS檢測的局限性

MPs顆粒和NPs顆粒的成分、大小、形狀、密度和表面特性極其復(fù)雜多樣，使用RS技術(shù)分析水樣本中的MPs有一定的局限性。

3.4.1 光譜信號弱，熒光干擾強(qiáng)

常規(guī)RS技術(shù)的信號本身很弱，強(qiáng)度很低，比熒光信號的效率低6到10個(gè)數(shù)量級［58］。熒光干擾是RS分析中信號質(zhì)量差的主要原因之一，因此，對樣本進(jìn)行光漂白和熒光淬滅是有必要的。如Liu 等［59］使用芬頓試劑的4種催化劑（Fe2+、Fe3+、Fe3O4和K2Fe4O7）處理MPs可以消除MPs中的熒光信號。

3.4.2 檢測粒子大小受到限制

RS可以檢測到>10 μm的MPs，而顯微RS可以檢測到<1 μm的MPs［60］。RS的局限性阻礙了對納米級（<100 nm）塑料顆粒的化學(xué)鑒定，從而導(dǎo)致所分析樣品的信息不完整。使用SERS可以檢測到小于100 nm的NPs，如Zhang等［54］使用SERS技術(shù)檢測出瓶裝水中最小尺寸為50 nm的NPs。因此，繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)能夠有效分析NPs顆粒以及其他塑料污染物的先進(jìn)技術(shù)是有必要的。

3.4.3 基底的制備沒有統(tǒng)一的方法

雖然SERS能夠放大RS信號的強(qiáng)度，提供一種低濃度分析物檢測的替代方法，但SERS也有局限性。首先，不同的基底產(chǎn)生增強(qiáng)因子的變化取決于等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)分析物處于復(fù)雜的基底中時(shí)缺乏選擇性。其次，SERS測量中的一個(gè)主要問題是“熱點(diǎn)”的不均勻空間分布和樣品在基底中的不均勻分布而導(dǎo)致檢測的不可靠［61］。所報(bào)道的 SERS 基底的制備都是為特定類型的樣品而設(shè)計(jì)的，這表明利用 SERS 檢測MPs和NPs的方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。將各種 SERS 基底進(jìn)行比較具有一定的挑戰(zhàn)性，對它們進(jìn)行嚴(yán)格表征是非常復(fù)雜的過程［62］。尚需進(jìn)一步研究具有可重復(fù)性、可靠的SERS活性基底，將其用于復(fù)雜樣品的研究，并對復(fù)雜基質(zhì)中的MPs和NPs進(jìn)行超靈敏檢測。

3.4.4 缺乏準(zhǔn)確、智能的數(shù)據(jù)處理方法

從復(fù)雜MPs的RS信號中提取微弱有用信息，并建立滿足需要的判別和智能分類模型是目前該技術(shù)進(jìn)行定性和定量分析的關(guān)鍵，直接決定該項(xiàng)技術(shù)的可用性。已有較多的文獻(xiàn)報(bào)道了多元統(tǒng)計(jì)分析方法和機(jī)器學(xué)習(xí)用于MPs的RS數(shù)據(jù)分類與識別，但多數(shù)是針對特定樣本進(jìn)行處理，缺乏通用性和智能化。

4 總結(jié)與展望

MPs是塑料經(jīng)過物理、化學(xué)和生物作用破碎降解形成的。國內(nèi)外研究均顯示，飲用水中可檢測到MPs顆粒。除了經(jīng)飲水途徑，MPs還可以通過食物攝取、空氣吸入和皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，因此，MPs對健康的危害要綜合考量。MPs的合成聚合物成分不能被降解，有可能造成多種生物效應(yīng)，如物理毒性、氧化應(yīng)激、細(xì)胞因子分泌、細(xì)胞損傷、炎癥和免疫反應(yīng)、DNA損傷，以及神經(jīng)毒性和代謝效應(yīng)等。需要指出的是，觀察到的效應(yīng)通常是在高濃度的MPs暴露下觸發(fā)的，而這些試驗(yàn)使用的是原始顆粒類型，與環(huán)境中實(shí)際遇到的顆粒類型不一致。此外，這些測試顆?？赡艽嬖诨瘜W(xué)污染。

環(huán)境中的MPs可能進(jìn)入食物鏈和飲用水，其污染和潛在健康危害逐漸受到學(xué)術(shù)界、監(jiān)管部門和大眾的重視。2014年，聯(lián)合國環(huán)境大會將MPs污染列為與全球氣候變化、臭氧耗竭等并列的重大全球環(huán)境問題。但值得一提的是，2019年WHO發(fā)表的《飲用水中MPs》報(bào)告指出：基于現(xiàn)有的研究結(jié)果，飲用水中的MPs對人類健康尚影響不大；強(qiáng)調(diào)塑料表面易形成生物膜，相關(guān)的微生物病原體的危害則需要重視；并認(rèn)為目前還沒有必要對飲用水中的MPs進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測［4］。同年，歐洲科學(xué)院政策科學(xué)顧問委員會（Science Advice for Policy by European Academies，SAPEA）在其《關(guān)于自然與社會中微塑料的一種科學(xué)視角》報(bào)告中也指出，目前對MPs的健康危害所知甚少，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)應(yīng)更加關(guān)注如何減少塑料污染和使用危害少的材料［63］。

無論如何，更合理地制定塑料戰(zhàn)略，更好地管理塑料廢棄物，以避免其污染陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)已成為全球共識，對MPs進(jìn)行識別、量化以及去除是非常有必要的。MPs污染程度以及風(fēng)險(xiǎn)評估尚難以有效量化，文獻(xiàn)中報(bào)道的MPs濃度和顆粒大小常有幾個(gè)數(shù)量級的差異。國內(nèi)外目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的MPs的定性和定量檢測方法，取樣、樣品制備、檢測以及鑒定技術(shù)仍處于發(fā)展階段。

RS技術(shù)以其信息豐富、制樣簡單、水的干擾小等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在MPs的檢測中具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢。RS技術(shù)和SERS技術(shù)已成為MPs檢測和多尺度識別的重要工具，已有較多國內(nèi)外研究人員報(bào)道其用于檢測和識別水生環(huán)境中的MPs和NPs。尤其是SERS技術(shù)，能在較短時(shí)間內(nèi)獲取低質(zhì)量濃度（ng/mL）MPs的拉曼光譜，靈敏度極高，在水樣的MPs的檢測中具有非破壞性和無損性等優(yōu)勢。但目前所報(bào)道的 SERS 基底大部分都是為特定類型的樣品而設(shè)計(jì)。新型SERS基底材料和結(jié)構(gòu)的選擇與制備顯得尤其重要，開發(fā)具有重現(xiàn)性好、性能穩(wěn)定的新型SERS基底，已成為SERS用于MPs光學(xué)檢測的重要研究內(nèi)容和發(fā)展方向。擴(kuò)大SERS應(yīng)用范圍，提高SERS檢測靈敏度，以提高M(jìn)Ps檢測類型、濃度和尺寸的極限，有助于更深入地了解MPs的來源、去向以及對人類健康的影響。

MPs的種類繁多、體積小且成分復(fù)雜，RS數(shù)據(jù)量非常大，背景復(fù)雜，光譜間差異較小，難以直接提取到有用數(shù)據(jù)。利用多元統(tǒng)計(jì)處理方法結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，可減少數(shù)據(jù)維度，提高從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息的效率，實(shí)現(xiàn)對MPs顆粒的快速判別與定性分析。為了實(shí)現(xiàn)對飲用水中的MPs的常規(guī)檢測，構(gòu)建低成本、高靈敏度的RS檢測系統(tǒng)和智能分析系統(tǒng)一體化的自動綜合分析平臺顯得十分必要。

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