前言

微塑料和纳米塑料（MNP）无处不在，但它们对人类健康构成的风险我们却知之甚少。

目前的可用数据对于开展相关风险评估的用处有限，原因在于质量控制不足，缺乏标准化的颗粒表征和环境分析方法，以及使用的试验材料不反映环境中发现的材料。

一组经过良好表征的MNP试验材料，将极大地缓解这一问题。在这里，我们提出了一种稳健的方法，用于生产、分离和表征聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）的这种测试材料。

我们在低温条件下使用离心磨机，将粉末或颗粒进行初始尺寸缩减，使其达到500微米。然后，在1-丙醇中在室温和-50摄氏度之间进行进一步的球磨，以达到最终的颗粒尺寸。

通过沉降和过滤，将其分为<1微米、1-5微米、5-10微米、10-30微米、90-180微米和180-300微米的尺寸范围。

通过SLS、SEM-EDX、XRF和TGA对参考材料进行表征，证明这些分数的尺寸符合要求。

材料和方法

1.材料

我们需要用到的材料包括PVC、含有30%滑石粉的聚丙烯、乙醇、1-丙醇、MilliQ水、BSA蛋白和磷酸盐缓冲盐水（PBS）

这些材料均按照原样使用，无需进一步纯化，唯一例外的是MilliQ水，需经过Millipore 0.22微米滤器过滤处理。

2.制粉

在实验中，我们使用了两种不同的磨削方法：离心磨削和球磨。在离心磨削中，我们可以在室温下或液氮下进行操作。

而在球磨中，我们使用了Y稳定的ZrO2珠子（E&R BV），以及ZrO2容器和ZrO2双叶片转子。

球磨的时间可以在1至25小时之间，转速范围为2000至6000 rpm，并且可以在室温下或液氮下，以及在乙醇或1-丙醇中进行。

3.静态光散射 （SLS）

我们使用激光器进行测量，能够测量7纳米至800微米之间的粒径。

随后将分散液稀释在1-丙醇中，并在实验室条件下（温度23°C，相对湿度约50%）下进行恒定运动下的测量。

根据散射结果，我们计算得到PVC的折射率为1.55-0.00i，而PP/滑石粉的折射率为1.60-0.00i。这些数据有助于计算粒度分布。

4.热重分析

TGA用于测定聚合物中无机添加剂的比例。实验在氮气下进行，从室温到20 °C的升温速率为800 °C/min。

监测随时间和温度引起的质量损失。评估了其中两个PP/滑石粉和两个PVC批次的重量损失。

结果和讨论

1.MNP测试材料的表征

为了了解所有生产的磁性纳米颗粒（MNP）分数的粒径分布，我们采用了一种叫做静态光散射（SLS）的测试方法，并为每种聚合物使用了固定的折射率。

SLS的结果是基于体积的粒径分布，通过这些数据我们可以得出许多参数，用来描述整个尺寸分布。这些数据和参数的图示如下图所示。

在一批磁性纳米颗粒（MNP）中，可以使用多种可能的定义来确定颗粒的平均尺寸。每个定义与不同的功能相关。

如果研究重点在于磁性纳米颗粒的质量引起的效应，那么应该采用体积平均值；而如果研究重点更加关注数量或表面积，就应该使用不同的颗粒尺寸定义。

由于体积与尺寸的关系是三次方的，导致体积分布偏向于较大的颗粒，即一个直径为10微米的颗粒，与一千个直径为1微米的颗粒给出相同的体积强度。

这意味着小颗粒很容易被少数大颗粒所掩盖。对于数量分布，一个直径为10微米的颗粒与一个直径为1微米的颗粒具有相同的强度。

这两种分布都很重要，因此我们都进行了展示。

表格1、2、3、4和5显示了所有MNP批次的平均颗粒尺寸、分数以及每克的数量、表面积和体积。

表1 根据PVC的SLS实验计算出的平均粒径，包括标准偏差。标准差 0.00 表示< 0.005。所有尺寸均以μm为单位

表2 数量和体积分布在指定范围内的PVC颗粒分数。标准差 0.0 表示< 0.05。所有尺寸均以μm为单位，分数以百分比（%）表示

表3 根据SLS实验计算的PP/滑石粉的平均粒径，包括标准偏差。标准差 0.00 表示< 0.005。所有尺寸均以μm为单位

表4 PP/滑石粉颗粒在数量和体积分布的指定范围内的分数。所有尺寸均以μm为单位，分数以百分比（%）表示

表5 每克干颗粒的数量、表面积和体积

可以看到，在大多数批次中，数量平均直径（D[1,0]）与批次的期望尺寸相符合，这表明磨削和分选过程产生了合适的测试材料。

只有四个情况不符合：PVC 5–10、PVC 90–180和PP 90–180的D[1,0]略小，而PP 5–10略大于预期。

这也反映在数量分数中，其中可以看到大多数颗粒位于期望的分数中，PVC批次通常比相应的PP/Talc样品中有更多颗粒在期望的分数中。

最后，表面积是基于光滑、球形、非多孔颗粒进行计算的。虽然这不是对真实颗粒的完全准确描述，但希望这样的信息有助于估计表面积依赖的效应，例如生物膜形成和MNPs作为致病性或化学媒介的作用。

2.填充材料的定量

通过热重分析（TGA），我们可以研究测试材料中是否含有无机填料，特别是对于聚丙烯（PP）而言，这一步尤为重要。

我们对两种塑料进行了<1和90-180微米尺寸的批次测试，并在下图中展示了TGA曲线。对于聚氯乙烯（PVC），TGA曲线显示了两个质量损失事件。

第一个事件发生在200到400°C之间，表示HCl的失去；第二个事件发生在400到600°C之间，是碳链的热解。

在高温区间，残留质量很可能是在HCl释放过程中形成的碳碎片，无法进一步热解。

另外，较小和较大颗粒之间的差异，是由于颗粒大小造成的。较小的颗粒通常由于其较大的表面积与体积比而更快速、更完全地进行热解。

在PP/Talc样品中，发现只有一个质量损失事件，在约450°C左右发生，对应着聚合物的热解过程。

较大和较小颗粒之间的残留质量存在明显差异，较大颗粒的残留质量远低于较小颗粒。具体的残留质量数据可见下图。

在生产过程中，聚丙烯与滑石粉的混合比例为30 wt%，但经过磨削后，较大颗粒中滑石粉含量为26.2%，较小颗粒中滑石粉含量为41.6%。

由于滑石粉的粒径在100-300纳米范围内，这说明PP/Talc <1微米批次中的一部分可能是从PP中释放出的滑石粉颗粒，它们不再嵌入在PP基质中。

4.化学成分和污染

我们使用X射线荧光（XRF）对两批PVC和两批PP/Talc进行了铣削后的化学成分研究。这些结果显示在下表中。

在所有批次中，总的污染物浓度都低于1 wt%。钙和锌作为稳定剂存在于两种聚合物中，而PVC中还含有磷元素。

铁、铬和镍是不锈钢的组分，可能是从离心磨床或球磨容器中的小不锈钢网释放的。锆和钇可能是由球磨组件（珠子、搅拌器和容器）引入的，因为它们是由Y稳定的ZrO2制成的。

PVC_BIII批次中较高的锆含量，可能是由于该批次使用了新的珠子。PP/Talc中较高的铁含量可能是由于滑石粉对球磨容器中不锈钢网的较高磨损性。

其他未解释的污染物的存在很低，PVC中总计低于0.5 wt%（主要是由于较高的钠含量），PP/Talc中总计低于0.01 wt%。

4..MNP悬浮液的稳定性

我们可以通过两种方式来评估稳定性：一是在冰箱（4°C）中储存1-丙醇中的磁性纳米颗粒（MNP）的长期稳定性（保质期），另一种是在存在BSA的情况下稀释MNP的稳定性（在使用中）。

我们在第0天制备了20毫克/毫升的MNP样品，并在第0天和第46天进行了测试。随后在第58天，我们将颗粒转移到BSA中，并立即进行了测试，接着在第13天、第48天和第218天进行了测试。颗粒的尺寸分布如下图所示。

两种微塑料和纳米塑料材料，在储存过程中都表现出一些颗粒尺寸分布的变化。1-丙醇中的PVC 1-5微米样品逐渐聚集，但在与BSA混合后，一些小聚集体被分解，形成更多的小颗粒。

最初样品中<1微米的颗粒比例为30%，而在经过276天后，这个比例增加到52%。PP/Talc <1微米样品也显示出在1-丙醇中的聚集，但在与BSA混合后解聚的现象。

我们进行了不含MNP的0.05 wt%BSA溶液的空白SLS测量，但由于可能的蛋白质和蛋白质聚集体浓度太低，无法测量，因此所呈现的颗粒尺寸信息代表了MNP本身。

两种材料的平均颗粒大小发展如下图所示。PVC 1-5微米样品的平均颗粒大小稍微减小，而PVC <1微米样品的尺寸增加。

PP/Talc 1-5微米样品的平均颗粒大小在前两个月内发生了较大变化，尺寸显著减小。这可能是由于一些滑石粉颗粒从材料中释放出来，导致平均颗粒大小显著降低。

对于这两种塑料，在与BSA混合后，颗粒尺寸在31周后保持稳定。

结论

我们成功地展示了一种制备合适的微塑料，和纳米塑料测试材料的方法。

通过两步磨削过程，再经过沉淀和筛分，我们获得了尺寸分布较窄的颗粒分数，包括<1微米，1-5微米，5-10微米，10-30微米，90-180微米和180-300微米。

这些颗粒含有低水平的污染物，其中包括来自制备过程中使用的不锈钢和ZrO2设备的元素。所制备的颗粒经过长达9个月的储存，和在0.05 wt%的BSA溶液（用于测试）中的稳定性测试。

在1-丙醇中，颗粒初期可能会发生聚集，但在BSA中它们是稳定的，尽管随着时间的推移，由于聚集体的破裂，会发生一些变化。

虽然我们的研究重点是生产PVC和PP/Talc测试材料，但我们相信这种方法也可以轻松适用于其他塑料的测试材料制备。

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