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技术前沿丨微塑料刺客入侵人体肺部！这项技术让隐形杀手无所遁形
你或许不知道，每次呼吸时，可能有数百个微塑料颗粒随空气进入肺部 —— 它们小到100纳米（约为头发丝直径的千分之一），却能穿过肺泡屏障，成为潜伏在人体的“隐形杀手”。当传统检测方法还在为“看清1微米颗粒”发愁时，复旦大学季敏标教授、复旦大学张立武教授和上海交通大学陈天祥教授团队提出了一种基于相干拉曼散射显微成像技术（Stimulated Raman Scattering Microscopy，SRS）的3D单颗粒检测方法（图1），为我们揭开了这些微小颗粒的神秘面纱，让我们能够更清晰地认识它们的危害。
图1 研究成果
纳米塑料（<1μm）和微塑料（<5mm）因尺寸小、表面活性高，易被生物吸收，可通过食物链、空气等进入人体，存在健康风险。大气、饮用水、人体胎盘等均已检测到塑料颗粒。传统检测方法如傅里叶红外光谱分辨率低（>20μm），自发拉曼光谱检测效率低，表面增强拉曼光谱受基底限制，且缺乏3D成像能力。该研究的目标是开发基于相干拉曼散射显微成像技术（SRS）的快速检测与3D成像方法，实现纳米/微塑料的单颗粒水平分析。
SRS 技术：揭开微塑料面纱的“火眼金睛”
研究人员提出了一种基于SRS显微镜的3D单颗粒检测方法，用于纳米塑料和微塑料的成像。该方法的关键在于利用塑料中独特的拉曼光谱特征。每种塑料变体都表现出独特的拉曼光谱特征，这使得通过SRS显微镜进行特定识别成为可能。研究人员选择了高波数（2750-3050 cm-1）的C-H伸缩振动带和指纹带作为特征峰，通过高波数扫描结合低波数验证的方法，实现了对不同类型塑料的区分。
图2 呈现SRS 、PS光谱及不同尺寸PS 纳米/微塑料的SRS成像，用于检测
SRS技术的优势在于它能够在单颗粒水平上进行3D成像，检测速度快，分辨率高。例如，一个512×512像素的SRS图像可以在1.2 秒内数字化，而共聚焦拉曼绘制一个30×30像素的图像需要4小时，成像速度提高了12,000倍。此外，SRS的空间分辨率达到350纳米，远高于共聚焦拉曼的约1微米分辨率。
图3 为混合纳米/微塑料样本的SRS成像；黄色代表PE物质；紫色代表PS物质；蓝色代表PMMA物质
传统检测手段虽各有价值，但面对纳米级微塑料时存在天然局限，而SRS技术恰好补上了这些缺口：
方法 | 传统技术价值 | 技术硬伤（不可绕行的痛点） | SRS 独有的不可替代性 |
| 传统拉曼 | 提供分子指纹，化学识别精准 | 1张30×30像素图需4小时，通量卡死 | 1.2秒完成512×512高清成像，用速度重构检测效率边界 |
| 电子显微镜 | 看清微观形貌，记录颗粒形态 | 只能拍“素颜照”，读不出“化学身份” | 光谱解混+3D成像，同时给颗粒拍“身份证 +立体写真” |
| 红外光谱 | 大颗粒检测成熟，流程稳定 | 100纳米级颗粒直接 “隐身”，分辨率断层 | 精准识别100纳米级颗粒，补全超微尺度检测的技术盲区 |
从大气到肺部：SRS 技术揭示塑料污染的惊人真相
为了验证SRS技术在实际环境中的应用能力，研究人员对大气样本和人体肺组织样本进行了检测。在大气样本检测中，研究人员首先对样本进行预处理，以去除有机干扰物质。然后，利用SRS显微镜在2865cm-1的共振波数和2810cm-1的非共振波数进行扫描，通过减法处理排除干扰，成功检测到了纳米塑料和微塑料。结果显示，在大气样本中检测到了4种类型的纳米塑料和微塑料，包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和纤维素塑料，它们的形状有颗粒状、纤维状和碎片状。在检测到的微塑料中，超过一半被鉴定为PE微塑料，占55.26%，其次是纤维素微塑料，占31.58%，PP和PMMA的比例较小，分别为7.89%和5.26%。所有检测到的微塑料中，粒径小于10微米的微塑料数量占32%，包括4个检测到的微小纳米塑料（<5微米）。
图4 为大气样本中纳米/ 微塑料的SRS检测
对混合塑料样本进行z轴（步长0.4μm）扫描，重建3D化学分布，清晰显示PE、PS、PMMA的空间分布与形貌。以0.4微米为步长扫描样品深度，SRS能像CT一样重建微塑料的3D形态：大气中的PP 呈44×14×8微米的不规则碎片，PE则是5×3×5微米的小球，而肺里的纤维状微塑料直径不足3微米，能轻松钻进肺泡深处。
图5 直观呈现出微塑料在肺组织内的“入侵痕迹”
更令人担忧的是，研究人员在人体肺组织样本中也检测到了纳米塑料和微塑料。他们对12个来自医院的肺组织样本进行了分析，在11个样本中发现了纳米塑料和微塑料，总共检测到53个颗粒，包括纤维状、碎片状和颗粒状。与大气样本中检测到的纳米塑料和微塑料类似，肺组织样本中含有PP、PE和纤维素纳米塑料和微塑料。不同的是，肺组织中出现了大气样本中未检测到的PS，而大气样本中出现频率较低的PMMA在肺组织样本中也未检测到，这可能是由于组织样本有限。
实验结果充分展示了SRS技术在实际环境样本和生物样本中的应用潜力，不仅验证了该技术在复杂样本中检测微塑料的能力，还揭示了微塑料在环境和人体中的广泛存在，以及它们可能对人体健康造成的潜在威胁。
综上，本研究成功开发并应用了基于SRS显微镜的3D单颗粒检测方法，为纳米塑料和微塑料的检测提供了一种快速、高效且精确的新技术。SRS技术就像给环境监测装上“火眼金睛”，不仅能追踪微塑料从空气到人体的“入侵路径”，还能为毒理学研究提供精准的3D形态数据。未来，随着技术的进一步完善和塑料光谱数据库的不断丰富，SRS技术或许能够实现对空气中微塑料浓度的实时监测和预警，为人类健康和环境保护提供更加有力的支持。
资料来源：
[1]Jianpeng Ao, Guanjun Xu, Han Wu, et al., “Fast Detection and 3D Imaging of Nanoplastics and Microplastics by Stimulated Raman Scattering Microscopy,”Cell Reports Physical Science 4 (2023): 101623, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101623
