背景介绍：

塑料制品因其便利性、可丢弃性和可回收性而在全球范围内被广泛使用。然而，这些特性也导致了塑料垃圾的大量产生，尤其是在自然环境中微塑料（MPs，1-5mm）和亚微米级微塑料（100-1000nm）的普遍存在，已成为一项重大的生态挑战。这些微小的塑料颗粒不仅在土壤和水体中被广泛检测到，而且它们对生态系统的潜在影响已经引起了全球性的广泛关注。

尽管已有研究致力于了解微塑料的分布、浓度及其环境影响，但现有技术在量化分析亚微米级微塑料时面临挑战，因为这些颗粒不仅尺寸更小，还表现出不同于较大微塑料的独特行为，例如胶体稳定性和由布朗运动引起的随机运动。这些特性使得亚微米级微塑料的检测和量化更加复杂，因此，开发新的监测技术对于更好地理解这些微粒在环境中的分布和影响至关重要。

导读：

近期，有研究人员开发了一种新的监测系统，将荧光标记与微流控装置和粒子跟踪软件相结合，实现了球形和碎片状聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）亚微米级微塑料的自动定量和尺寸测量，为更好地监测水体中亚微米级微塑料提供了新的技术手段。相关研究以“Fluorescence microfluidic system for real-time monitoring of PS and PVC sub-micron microplastics under flowing conditions”为题目，发表在期刊《Science of the Total Environment》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种新的监测系统，将荧光标记与微流控装置和粒子跟踪软件相结合，用于对亚微米范围内的球形和碎片状微塑料进行自动定量和尺寸测量。

2、结果表明，该系统能够快速定量和测量500nm和1000nm的PS亚微米级微塑料球，以及碎片状PS和PVC亚微米级微塑料，并通过荧光标记实现PS和PVC亚微米级微塑料的实时区分。

3、此外，微流控系统可用于监测少量水样中的亚微米级微塑料，提高了样本处理的效率。

4、这种自动化系统具有在水体环境中快速实时监测亚微米级微塑料的高潜力，有助于更全面地理解其在环境系统中的存在和分布。

该研究开发的荧光微流控系统相比传统方法在监测亚微米级微塑料方面具有以下优势：

1、自动定量和尺寸测量：该系统结合荧光标记和粒子跟踪软件，能够自动对球形和碎片状的PS和PVC亚微米级微塑料进行定量和尺寸测量。这相比手动定量方法更加高效。

2、小样品体积要求：该微流控系统只需要小于1mL的水样即可进行分析，这对于亚微米级微塑料浓度较低的环境样本来说很有优势。

3、实时监测能力：该系统能够实时监测亚微米级微塑料在流动条件下的形态特征，而不仅仅是静态观察。

4、聚合物类型识别：通过荧光标记，该系统能够实时区分PS和PVC两种不同类型的亚微米级微塑料。

5、提高数据代表性：微流控系统可以连续观察微塑料在微通道内的流动，相比传统显微镜观察局限于小区域的缺点，能够获得更具代表性的数据。

总之，该荧光微流控系统相较于传统监测手段，在自动化、实时监测、样本代表性以及聚合物鉴别等方面展现出显著优势。这一系统的应用，为深入洞察亚微米级微塑料在环境中的分布特征及其生态影响提供了强有力的技术支持。

该荧光微流控系统在定量亚微米级微塑料方面存在以下局限性：

1、文中提到，自动定量结果比手动定量结果高出1.9倍、1.2倍和3.3倍。这是因为微塑料受布朗运动影响，会暂时移出显微镜焦平面，被追踪算法识别为新的粒子。

2、追踪算法在粒子间距小于设定的最大间隙时，可能无法正确连接消失后重新出现的粒子。这会导致过度估计粒子数量。

3、需要设置校正因子，根据自动定量与手动定量结果的比值来校正自动定量结果，以提高准确性。

4、该系统仅评估了PS和PVC两种聚合物类型的亚微米级微塑料，对其他聚合物类型的适用性还需进一步验证。

图1.使用PDMS创建微通道的制备步骤（a）。微流体装置的一般设计和当前设计的示意图比较（b和c）。

图2.微流体装置（a）和微通道的显微图像（b）。红色框表示数据采集的观测区域（180×110μm）。使用显微镜在波长为470nm的蓝色荧光下采集荧光数据（c）。（d）500nm PS珠、（e）1000nm PS珠以及（f）破碎的PS和PVC亚微米级MP的荧光图像。从亚微米级MP通过微通道的视频记录中提取单帧图像。

图3.使用粒子跟踪算法进行自动量化和尺寸测量的数据处理步骤。该过程包括荧光数据采集（a-1、b-1和c-1）、背景减除和灰度转换（a-2、b-2和c-2）、粒子识别（a-3、b-3和c-3）和粒子跟踪（a-4、b-4和c-4）。

图4.相关性分析显示了自动定量获得的粒子浓度与亚微米级MP的质量浓度之间的关系（a、b和c），以及亚微米级MP的自动定量和手动定量结果之间的关系（d、e和f）。插图提供了0.1至10mg/L质量浓度结果的放大视图（a、b和c），以及以下范围内的手动定量浓度：（d）4.4至167.2，（e）0.4至11.6，以及（f）0至1.1counts/s。

图5.箱线图描绘了分散在去离子水（DI）、湖泊、地面、河流和海水中的（a）500nm PS珠、（b）1000nm PS珠和（c）破碎亚微米级MP的粒径。该图是在1.5倍四分位数间距（IQR）的范围内使用晶须模型绘制的。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175016