| 题名 | 微纳塑料的制备、标记及在复杂基质中的定量检测研究 |
| 作者 | 高琦 |
| 答辩日期 | 2022-05-13 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 王运庆 ; 陈令新 |
| 关键词 | 微纳塑料 标记 体内分布 沉降行为 超疏水富集 |
| 学位名称 | 工学硕士 |
| 其他题名 | Preparation, labeling and quantitative detection of micro-nanoplastics in complex matrices |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 微纳塑料（微塑料及纳米塑料的统称）作为一类新型污染物被广泛关注，目前已成为生态环境领域的研究热点。近年来，国内外科学家在微纳塑料的环境分布、来源调查、传输行为和生态毒理等方向开展了大量研究，取得了一定的进展，但仍存在两个关键问题还未解决。一是效应评价的微纳塑料模型环境相关性较差，许多研究使用聚苯乙烯（PS）球型颗粒进行微纳塑料的研究，但自然环境中的微纳塑料表面形状不规则，且表面性质、与生物分子的作用方式和毒理效应均因塑料材质不同而有所差异，因此通过PS球形颗粒得到的结论不应被认为是适用于所有塑料材质的普遍结论；二是缺乏针对微纳塑料的高灵敏度示踪方法，目前许多工作从成像分析、光谱鉴定及质谱检测等方面进行微纳塑料的研究，但这些方法对微纳塑料的检测存在灵敏度低、抗环境背景干扰差、不适合纳米级塑料的分析等问题，发展高灵敏的纳米塑料示踪方法仍处于瓶颈状态。本研究针对上述问题，发展了基于机械破碎的“真实”微纳塑料的制备方法及基于溶胀法标记微纳塑料的方法，将铱（Ir）标记的微纳塑料应用于小鼠体内分布及沉积物再悬浮体系中，得到了微纳塑料在小鼠体内的分布具有粒径依赖性及自然环境中的微纳塑料存在吸附沉降行为等结论；使用尼罗红标记的微纳塑料开展微量微纳塑料的超疏水富集成像研究，初步验证了微量微纳塑料快速成像检测的可行性，提高了微纳塑料检测的灵敏度。具体内容如下： （1）发展了一种基于机械破碎的“真实”微纳塑料的制备及标记方法 通过模拟自然环境中微纳塑料的形成过程，以市售的 PET 材质矿泉水瓶为原料，制备了 200 nm、900 nm 和 2500 nm 的微纳塑料（简称 PET200、PET900 和PET2500）。基于聚合物的溶胀特性，以铂族元素 Ir 的稠环配位化合物为标记物对微纳塑料进行标记，得到了 3 种标记后的微纳塑料 PET200-Ir、PET900-Ir 和PET2500-Ir。优化了标记及消解方法，以标记物浓度为 0.5 mg/mL，标记比例为微纳塑料与标记物的体积比 6:1，标记时间为 12 h 进行标记，以消解时间为 10 h，消解温度为 100℃进行消解。通过设置环境和生物介质中的模拟泄露实验，发现除胎牛血清基质中 PET-Ir 的泄露量达到 5%以外，其他基质中的 PET-Ir 的泄露量均小于 3%，表明该标记方法具有体内标记潜质。本研究中的制备方法做到了生成过程真实（物理磨损）、材料理化性质真实（源自真实的日用塑料），而标记方法具有抗背景干扰的优势，是微纳塑料模型制备的重要进展，为后续生物及环境分布的应用研究奠定了基础。 （2） 纳米塑料在小鼠体内的分布研究 通过静脉注射和灌胃两种方式，以Ir的水分散液作为对照，探究了PET200-Ir和PET900-Ir两种粒径的纳米塑料在小鼠体内的分布情况。发现了静脉注射条件下，肝脏为纳米塑料蓄积的主要器官且纳米塑料的分布行为具有粒径依赖性，PET200的蓄积速度和清除速度均快于PET900；灌胃条件下，在肠胃以外的其他组织中均未检测到两种粒径的纳米塑料及Ir的水分散液的存在，该现象可能是由于胃肠道屏障的影响。本研究探究了“真实”微纳塑料应用于生物体内的可行性，表明了生物体内纳米塑料行为的粒径依赖性，可为“真实”纳米塑料的毒理研究提供参考。 （3） 微纳塑料在海岸带沉积物再悬浮体系中的分布研究 沉积物再悬浮现象是海岸带区域一个比较普遍的物理现象，本研究以沉积物再悬浮体系为背景，探究了振荡时间对微纳塑料垂直分布的影响以及微纳塑料的垂直分布检测。结果表明，随振荡时间的增加，上清液中的微纳塑料浓度降低，沉积物中的微纳塑料浓度升高，符合吸附驱动的沉降行为。45.3%的微纳塑料集中在深度为1.4~1.8 cm范围内的沉积层，是相邻水体层的3.6倍，相邻沉积物层的5.5倍，说明了微纳塑料易于分布在沉积物顶层及水体底层。本研究阐明了“真实”微纳塑料应用于环境行为研究的可行性，探究了沉积物扰动以及同自然物质的相互作用影响微纳塑料的沉降，揭示了存在沉积物再悬浮现象的海岸带区域中，生活在沉积物表层的底栖生物可能更容易受到微纳塑料污染的影响。 （4）真实样品中微纳塑料的超疏水富集荧光检测 基于目前成像检测视野小，而载物基底上样品分布面积大、粒子稀疏，难以准确快速定位到粒子所处位置导致的分析效率低的现状，急需创新成像分析方法，扩大浓度检测范围。超疏水富集是一种适用于成像检测的有效富集方法，可适用于少体积、小粒径、低浓度颗粒样品的检测。本研究发展了超疏水富集法，可以将玻片上10 μL样品直径缩小到0.1 mm以下，促进了低浓度样品的检测。同时，将超疏水富集与荧光标记法相结合，初步解决了荧光背景干扰问题，开展了低浓度无标记微纳塑料样品的富集检测研究，实现海水及纯水样品中低浓度PET900样品（6.7×10-5 mg/mL）、纯水样品低浓度PET200样品（3.4×10-5 mg/mL）及PET2500（5.7×10-5 mg/mL）样品的高灵敏度成像检测。本研究降低了荧光成像纳米塑料的检测限，显著提高了检出效率及检测灵敏度，为真实环境中微纳塑料的检测提供方法学参考。 |
| 语种 | 中文 |
| 目次 | 第 1 章 引言 1 1.1 微纳塑料概述 1 1.2 微纳塑料的行为及分布 1 1.2.1 微纳塑料的环境分布情况 1 1.2.2 影响微纳塑料分布的因素 2 1.3 微纳塑料对生态环境和人类健康影响 4 1.3.1 微纳塑料对生态环境的影响 4 1.3.2 微纳塑料对水生生物的影响 4 1.3.3 微纳塑料对人类健康的潜在影响 4 1.4 微纳塑料的分析方法 6 1.4.1 微纳塑料的样品前处理方法 6 1.4.2 微纳塑料的检测方法 7 1.5 研究意义、内容及技术路线 8 1.5.1 研究意义及内容 8 1.5.2 技术路线 9 第 2 章 微纳塑料的制备、标记与定量检测研究 11 2.1 引言 11 2.2 实验材料 12 2.2.1 实验试剂 12 2.2.2 其他材料 12 2.2.3 实验仪器 12 2.3 实验流程 13 2.3.1 微纳塑料的制备及表征 13 2.3.2 微纳塑料的标记及表征 15 2.3.3 标记稳定性检测 15 2.3.4 标记物浓度优化 16 2.3.5 消解时间优化 16 2.3.6 方法检出限与定量限 17 2.3.7 Ir 浓度和 PET 质量换算 17 2.4 实验结果与讨论 17 2.4.1 微纳塑料的产生 17 2.4.2 微纳塑料的表征 18 2.4.3 微纳塑料标记方法的原理 20 2.4.4 标记后微纳塑料的表征 21 2.4.5 标记稳定性 23 2.4.6 标记物浓度优化 24 2.4.7 消解时间优化 25 2.4.8 检出限与定量限 26 2.4.9 Ir 浓度与 PET 质量转换 27 2.5 小结 27 第 3 章 纳米塑料在小鼠体内的分布研究 29 3.1 引言 29 3.2 实验材料 29 3.3 实验流程 29 3.3.1 空白及生物基质回收率 29 3.3.2 静脉注射 PET 的小鼠体内分布 30 3.3.3 灌胃暴露途径下 PET 在小鼠体内的分布 30 3.3.4 数据统计方法 30 3.4 实验结果与讨论 30 3.4.1 空白及生物基质回收率 30 3.4.2 静脉注射纳米塑料的小鼠体内分布 31 3.4.3 灌胃暴露途径下 PET 在小鼠体内的分布特征 33 3.5 小结 34 第 4 章 微纳塑料在沉积物再悬浮体系中的分布研究 37 4.1 引言 37 4.2 实验材料 37 4.3 实验流程 38 4.3.1 空白及环境基质回收率 38 4.3.2 沉积物再悬浮体系的构建与表征 38 4.3.3 振荡时间对微纳塑料分布的影响 38 4.3.4 微纳塑料的空间分布检测 39 4.4 实验结果与讨论 39 4.4.1 空白及环境基质回收率 39 4.4.2 沉积物再悬浮体系的构建与表征 40 4.4.3 振荡时间对微纳塑料分布的影响 41 4.4.4 微纳塑料的空间分布 42 4.5 小结 43 第 5 章 真实样品中微纳塑料的超疏水富集联合荧光检测 45 5.1 引言 45 5.2 实验准备 46 5.3 实验流程 46 5.3.1 超疏水基底的制备与表征. 46 5.3.2 基于离心法去除荧光背景 47 5.3.3 基于萃取法消除荧光背景 47 5.3.4 基于冲洗法消除荧光背景 47 5.4 实验结果与讨论 48 5.4.1 超疏水基底的制备与表征 48 5.4.2 基于离心法去除荧光背景 49 5.4.3 基于萃取法去除荧光背景 52 5.4.4 基于冲洗法去除荧光背景 53 5.5 小结 54 第 6 章 总结与展望 55 6.1 本研究的主要结论 55 6.2 本研究的创新点 55 6.3 展望 56 参考文献 57 致谢 67 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 69 |
| 页码 | 89 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30984]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高琦. 微纳塑料的制备、标记及在复杂基质中的定量检测研究[D]. 中国科学院大学. 2022. |
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