ACS Nano 最新成果：FTIR全新突破，解锁皮克级纳米塑料极速光谱分析

文章简介

本文介绍了使用布鲁克EMILIE纳米机电红外光谱仪，将纳机电系统（NEMS）的高灵敏度与傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪的宽光谱范围和普及性相结合的新方法，用于纳米塑料的化学表征和定量分析，具有：

• 超高灵敏度：该方法对聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）纳米塑料的检测限（LoD）低至 101 到 353 pg，比常用的热解-气相色谱-质谱法（Py-GC/MS）的检测限低一个数量级。

• 混合物识别与定量：不仅可以将测得的吸收率转化为绝对样品质量 ，还能凭借宽光谱范围轻松识别混合物中不同聚合物的纳米颗粒。

• 实际应用：研究团队成功利用该方法检测了尼龙茶包在泡茶过程中释放到水中的纳米塑料碎片和寡聚物，且无需任何样品预浓缩步骤，甚至在存在有机基质（茶汤）的情况下也能准确识别。

EMILIE纳机电红外光谱是一种基于光热效应的新技术，NEMS 芯片既是样品载体又是检测器。当样品吸收红外光后产生局部加热，导致芯片发生热膨胀，其共振频率的偏移量与吸收的能量成正比，由此实现对纳米塑料的定性定量分析。

图 1：NEMS-FTIR 分析的实验装置与进样方法

研究团队开发了定量滴涂方法以确保分析物 100% 保留在传感区域 。

• (A & B) 实验采用了EMILIE与布鲁克VERTEX红外光谱仪，核心部件是一个带有 600 µm 直径中心穿孔区域的氮化硅 NEMS 谐振器芯片 。

• (C)  对于小体积高浓度样品，使用压电纳升液滴分配器滴加 20 nL 液滴，干燥后颗粒被限制在芯片穿孔区域内 。

• (D & E) 对于低浓度大体积样品（如 500 nL），采用了一种创新的“渗透蒸发"（pervaporation）方法。通过控制膜两侧的湿度梯度，使溶剂优先通过穿孔蒸发，从而将样品收集并浓缩在中心传感区域。

图 2：模型纳米塑料的表征与定量

• (A & B) 沉积在芯片上的 PS 纳米颗粒（直径 100 nm）的 NEMS-FTIR 吸收光谱与基于折射率数据计算的参考光谱高度吻合，且无光谱伪影 。

• (C& D) 团队测试了不同质量负载的聚合物，并构建了校准曲线。结果显示，基于特征峰（PS 为 1452 cm-1，PP 为 1377 cm-1，PVC 为 1427 cm-1）的线性关系更佳。PP、PS 和 PVC 的检测限分别低至 101 pg、351 pg 和 353 pg。

图 3：纳米塑料混合物的分析

在实际环境样本中，通常会遇到多种聚合物的混合物 。

• (A & B) SEM 图像清晰显示了按 1:1:1 质量比混合的 PS (100 nm)、PP(54 nm) 和 PVC(262 nm) 纳米颗粒。

• (C) 即便每种成分仅沉积了5 ng，NEMS-FTIR 宽广的光谱范围依然能精准捕捉并区分出PS、PP 和 PVC 各自的红外吸收峰。

图 4：水样中尼龙茶包释放物的表征

为了验证实际应用潜力，研究人员分析了单个空尼龙茶包在 95°C 热水中浸泡 10 分钟后的释放物。

• (B & C) SEM 观察到了释放的塑料碎片。更惊艳的是，仅需 100 nL 且未经预浓缩的茶包浸出液，NEMS-FTIR就能清晰测得尼龙的酰胺 I 带(1642 cm-1) 和酰胺 II 带(1553 cm-1) 等特征峰。相比之下，即使使用 5 倍体积(500 nL) 的样品，传统光谱难以测到任何有效信号。

• (D) 加速老化实验（模拟一年的自然老化，共 25 天）表明，随着时间推移，尼龙特征峰的强度逐渐增加，证明环境压力会加剧聚合物颗粒和寡聚物的释放。

图 5：复杂基质（茶棠）中的纳米塑料检测

• (A) 在真实的柠檬香蜂草茶汤中，有机基质信号非常强。然而，只需简单扣除纯茶叶背景的光谱，EMILIE依然能从复杂的混合信号中剥离并准确识别出尼龙释放物的特征峰。

• (B) 对茶汤进行氧化消化和超滤后，NEMS-FTIR 分析发现，超滤膜的渗透液中含有特征极其明显的尼龙信号，这表明茶包释放了能够穿过1 nm 孔径的极小尼龙寡聚物进入茶汤中。

结论

这篇工作说明了纳米机电红外EMILIE能够快速、高灵敏度（皮克级）识别和定量水性分散体中纳米塑料的前沿技术。