使用显微拉曼光谱技术识别塑料杯中释放的微塑料并确定其特性

IQTC和暨南大学科研团队就淋膜纸杯中微粒塑料的迁移、鉴别及产生机理进行了研究,相关成果以“Identification and characterisation of microplastics released from plastic-coated paper cups using micro-Raman spectroscopy”为题发表在在食品领域知名期刊Food Control (JCR一区,IF=6.652,DOI org / 10.1016 / j.foodcont.2023.109901 ) 上。张天龙和胡佳玲为该论文的共同第一作者,钟怀宁研究员和林勤保研究员为共同通讯作者。该研究得到了IQTC主持的国家重点研发计划课题2022YFF0607202和国家自然科学青年基金42207550的资助。

研究结果:
(1)显微拉曼定性结果表明,淋膜纸杯至少迁移出四种不同的微粒塑料颗粒,其中三种有可定性的拉曼光谱(见图 2):前两种可被定性为聚乙烯(PE)与聚酰胺(PA),其来源应为淋膜纸杯自身及加工中外界环境的引入 ;第三种由于缺少指纹区的特征峰,因而被归为未确定微粒塑料,推测为聚丙烯酸丁酯(PBA)及聚己内酯三元醇(PCL-T)。

(2)对于检测到的微粒塑料统计可得:五款淋膜纸杯迁移出的微粒塑料(大于1um)数量从 5.67±0.33 x 10^5 到 33.67±27.00 x 10^5 个/升,平均值为 12.93±11.69 x 10^5个/升;粒径大小为1-60 um, 平均粒径为18.2±14.5 um。

(3)对五款淋膜纸杯(A-E)根据不同的微粒塑料定性结果,对数量和粒径分布进行统计。除了纸杯A以外,大多数淋膜纸杯中检测到的迁移微粒塑料粒径都小于15 um。且外源性微粒塑料(如PA,未确定微粒塑料等)大多尺寸较大,一般大于20 μm。扫描电镜的结果也证实,暴露后的纸杯涂层上存在微米级(5-20 um)的缺陷或碎片。且通过扫描电镜发现,未暴露的纸杯涂层上存在较高的粗糙度,可能是导致微粒塑料形成的关键因素之。

显微拉曼光谱现已广泛应用于环境及食品科学中微粒塑料的检测,本文首次将其应用于塑料淋膜纸杯的研究,并对检测到的微米级微粒塑料进行准确定性,分析了粒径分布与微塑料种类的相互作用机制,为之后建立统一的食品接触材料中微塑料检测方法规范提供了新的研究思路和技术手段。

IQTC和暨南大学林勤保研究员团队持续关注食品接触材料及环境中微粒塑料的鉴别及检测分析,检测能力涵盖显微红外光谱,显微拉曼光谱,荧光显微镜,扫描电子显微镜,热裂解/气相色谱-质谱联用法等技术。团队前期采用显微拉曼光谱对外卖餐盒中微粒塑料迁移情况进行了检测与分析,研究成果发表于英文期刊Food Additives & Contaminants: Part A。2022年4月20日,来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的化学家ChristopherZangmeister团队开展的一项新研究,以食品级尼龙袋和低密度聚乙烯(LDPE)成分的产品作为样本,探究微塑料的来源及释放情况。事实上,以这两种成分为主的塑料用品在日常生活中很普遍,比如烘焙衬垫和一次性外带咖啡杯的内衬塑料薄膜。

此外,研究结果显示,在普通的外带咖啡杯中放一杯100℃的水,静置20min后,研究者在每升水中能检测到万亿个塑料纳米颗粒。也就是说,当你享用喝一杯500ml的热咖啡或热奶茶时,将有5千亿个塑料纳米颗粒进入你的身体内!

不仅如此,其实早在婴儿时期,人们就已经开始摄入微塑料。据Nature Food上刊登的研究Microplastic release from the degradation ofpolypropylene feeding bottlesduring infant formula preparation估计,在使用聚丙烯塑料瓶制备的每升婴儿配方奶粉中,婴儿可能摄入多达1600万个微塑料颗粒。该研究中,研究人员按照世界卫生组织制备婴儿配方奶粉的标准,将聚丙烯婴儿奶瓶消毒、风干,然后倒入加热到70℃的水。在摇晃瓶子一分钟后,他们过滤了液体并在显微镜下进行分析,发现了数以百万计的微塑料颗粒。仅装瓶1分钟就能检测到,证实了微塑料产生的即时性。

此外,研究者还发现,冲奶粉使用的水温会极大地影响释放的污染颗粒的数量。当水温从25℃上升到95℃,每升释放的微塑料颗粒从60万增加到5500万个。也就是说,水温越高,释放的量就会越多。

由于人们不断地吃外卖、喝咖啡、吨瓶装饮料,微塑料自然也不停地被摄入进人体内。加拿大的Kieran D.Cox教授和他的团队以美国人饮食为基础,根据食物消费种类以及不同种类食物所含有的微塑料数量,估算出每人每年会吃掉5万个微塑料颗粒,如果算上漂浮在空气中、被呼吸吸入的微塑料,那么每人每年吃掉的微塑料颗粒数量在7.4万-12.1万之间。按照重量计算的话,每人每周大约吃掉5g微塑料,相当于一张银行卡的重量。

人类血液中首次发现微塑料的存在!2019年,《Annals ofInternal Medicine》在线发表的一项研究显示,健康志愿者的粪便样本中检测到了微塑料。研究人员发现,所有粪便样本都检测出微塑料呈阳性,每10克人类粪便中平均有20个微塑料颗粒。

研究者在22名健康志愿者的静脉血中检测到了5种最常见的塑料成分,分别是PET、PS、PE、PMMA、PP。在严格控制了采样、样品准备及分析过程中的可能存在的塑料污染后,研究者在近8成志愿者的血液里检测到了微塑料的存在(77%,17/22),平均下来,每个志愿者每毫升血样里有1.6ug的微塑料。

这项研究首次在人体血液中发现微塑料的存在,考虑到血液循环在体内四通八达,为各器官供给氧气和营养物质,带走代谢废物,不难想象微塑料也随着血流流经全身。“在血液样本中发现微塑料存在”的事实,也说明了人体清除微塑料的速度是低于从外界摄入的速度。进入血液的微塑料可能通过肾脏过滤或胆汁排泄的方式排出体外,也可能通过有孔的毛细血管沉积在肝脏、脾脏等器官。换句话说,微塑料早已无孔不入,甚至遍布全身。肠道疾病患者粪便中含有的微塑料颗粒是健康的1.5倍。

微塑料究竟会对健康造成什么样的危害呢?这才是人们更为关心的话题此前,已有动物实验证明,微塑料可以扰乱内分泌系统,导致出生缺陷,减少精子的产生,引发胰岛素抵抗,并损害学习和记忆。此外,科学家们还观察到了由于微粒刺破和摩擦器官壁而引起的物理损伤迹象,例如炎症。

为了探究微塑料对人类的影响,来自美国哈佛大学和罗格斯大学的科学家们还构建了模拟消化道的体外系统,结果显示,微塑料的存在会对脂肪吸收带来健康上的负面影响,即当脂肪与微塑料颗粒一起摄入时,脂肪的生物利用度会随之增加,导致更多的脂肪进入血液(这可能就是外卖越吃越胖的原因之一)。此外,该研究中还显示微塑料会影响微量营养素吸收、增加小肠渗透性,以及促进某些细菌繁殖等。

现阶段,有关微塑料对人体健康影响的试验有限,但已初见端倪。2021年12月,发表在《Environmental Science & Technology Letters》期刊上的一项学术研究显示,炎症性肠病(IBD)(包括克罗恩病和溃疡性结肠炎)患者的粪便中的微塑料比健康对照组多,表明这些微塑料可能与疾病的发展过程存在相关性。
研究团队从不同地区的50名健康人和52名IBD患者中获取了粪便样本。分析结果表明,IBD患者的粪便中含有的微塑料颗粒是健康受试者粪便的1.5倍。患者体内的微塑料含量越高,疾病相关的腹泻、直肠出血和腹部绞痛症状就越明显。

众所周知,塑料降解速度很慢,通常会持续数百年甚至数干年,这也增加了微塑料被摄入并累积在许多生物体和组织中的可能性。为了避免人类的五脏六腑变成“塑料制品”,最简单的办法就是尽量在生活中减少塑料制品的使用并及时治理塑料污染,别让地球被塑料“攻陷”之后再追悔莫及。

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