模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品及其研制方法与流程

1.本发明属于材料制备领域，涉及模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品 及其研制方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而 不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人 员所公知的现有技术。
3.自20世纪90年代以来，研究者开始关注环境中存在的微、纳米级塑料颗 粒，对其分布、材质、表面附着成分、毒理等进行研究。研究者将纳米塑料颗 粒定义为直径低于1μm的塑料颗粒，其在自然界中的存在情况多以微塑料分 布情况为据进行预测以及分析。
4.目前，大部分研究者采用商品化纳米塑料颗粒进行相关检测分析，研究集 中于建立新的检测方法或对其毒性进行研究。例如，利用商品化荧光标记的纳 米塑料颗粒对其在拟南芥根部的分布情况进行探索。部分研究者还利用商品化 荧光标记纳米塑料颗粒研究其在动物体内的运输、分布情况。然而，发明人研 究发现，上述纳米塑料颗粒相关研究存在同一突出问题，使用商品化纳米塑料 颗粒是否可以代替自然产生的纳米塑料颗粒进行研究？
5.从微观表征方面来看：现实中存在的纳米塑料颗粒粒径不一、形状不规则、 表面成分复杂，且具有多种聚集方式(塑料颗粒间聚集、塑料颗粒与各类物质 聚集)；而商品化的纳米塑料颗粒粒径均一，形状为均匀球状，溶液中一般添 加表面活性剂，在超纯水中单分散效果良好。从形成过程来看：自然界中存在 的纳米塑料颗粒是经过各种自然条件因素，例如风化作用、紫外线照射等，老 化破碎形成；而目前商品化纳米塑料颗粒是由塑料单体经过乳液合成法合成， 未经过自然老化过程。
6.由于复杂的基质干扰，从自然环境中分离获取纳米塑料颗粒非常困难，极 少数研究者可真正分离出自然界中存在的纳米塑料颗粒。发明人认为，目前有 关纳米塑料颗粒研究中所用到的商品化纳米塑料颗粒与自然中存在的纳米塑 料颗粒存在较大差异，将其作为标准品用于开展相关研究势必会造成一定的方 法误差。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术存在的缺陷，发明人认为使用更接近自然存在的纳米塑 料颗粒标准品能够使得纳米塑料的相关研究结果更加准确，例如纳米塑料颗粒 检测方法的建立及纳米塑料颗粒对动植物体的毒性影响等。然而现在的纳米塑 料研究领域中，大多使用乳液聚合法合成的、形状规则的标准微球，与自然条 件下产生的纳米塑料颗粒相差较远。
8.对此，本发明的目的在于提供模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品及 研制方法。本发明具有研究及工业推广意义，若使接近自然存在的纳米塑料颗 粒标准品实现批量化生产，可为提高纳米塑料颗粒相关研究的准确性奠定基础。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
10.第一方面，一种模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品，在10～1000nm 的电子显微图片中，颗粒呈现不规则状；采用超纯水超声分散后的溶液zeta电 位为-30～-20mv。
11.经研究发现，商品化纳米塑料颗粒与模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒在 外观规则程度、粒径分布、zeta电位、自然聚集状态等存在显著差异。当纳米 塑料颗粒满足外形不规则、粒径分布广泛、zeta电位-30～-20mv、且有聚集态 塑料颗粒存在时，将更接近自然条件下形成的纳米塑料颗粒，因而该纳米塑料 颗粒可以作为代替自然条件下形成的纳米塑料颗粒的标准品。
12.第二方面，一种模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品的研制方法，将 成品塑料模拟自然老化处理，所述模拟自然老化处理包括：酸处理、碱处理、 蛋白酶处理、水浸泡处理、烘干处理、紫外照射处理、研磨处理。
13.本发明利用现有的各种成品塑料模拟自然老化进行处理，获得纳米塑料颗 粒标准品，将目前商品化纳米塑料颗粒、模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒与 自然存在的纳米塑料颗粒进行对比，表征结果发现模拟自然老化制备的纳米塑 料颗粒比商品化纳米塑料颗粒更接近于自然条件下产生的纳米塑料颗粒。并且， 模拟自然条件制备纳米塑料颗粒的方法在实验室条件下能够稳定产出不同粒 径分布的纳米塑料颗粒，从50～100nm、100～200nm等均可实现生产，如需更 精确的粒度分布，只需要增加相应孔径的滤膜即可实现。经验证，通过更换不 同材质初始塑料即可获得不同材质的纳米塑料颗粒。
14.第三方面，一种上述模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品的表征方法， 采用扫描电镜、粒度仪及表面增强拉曼光谱进行检测。
15.经此方法制备的纳米塑料颗粒与自然条件下产生的纳米塑料颗粒在各方 面的表征结果基本一致，包括外形规则程度、粒径分布、zeta电位、自然聚集 状态等。此方法优点突出，制备出的纳米塑料颗粒比商品化纳米塑料颗粒更接 近自然条件下产生的纳米塑料颗粒，为纳米塑料相关研究提供更为接近待测物 的标准品。此方法原材料获取简单，破碎过程根据所需要模拟的自然条件可进 行相应调节，将研磨手段替换为分析级球磨机，即可实现规模化生产，具有重 要的科研价值。
16.第四方面，一种上述模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品在以下任一 项应用：
17.a.在检测自然产生纳米塑料颗粒中的应用；
18.b.在研究纳米颗粒毒理中的应用；
19.c.在制备筛选用于治疗自然产生纳米塑料颗粒导致对动植物体损伤的药物 中的应用；
20.d.在研究纳米塑料在环境中行为变化中的应用。
21.将模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品应用于自然产生纳米塑料颗 粒检测方法的建立中，能够最大程度还原自然产生的纳米塑料颗粒在检测过程 中的行为变化以及出现的响应信号；其应用于纳米塑料颗粒毒理研究，可最大 程度模拟自然产生纳米塑料颗粒对动植物体的损伤过程以及致病机制，并可以 具体应用于制备筛选治疗自然产生纳米塑料颗粒导致对动植物体损伤的药物； 其应用于纳米塑料在环境中行为变化研究，可最大程度模拟自然产生纳米塑料 颗粒的聚集、分布、吸附等行为动力学特征。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1.鉴于现有纳米塑料颗粒的制备方法得到的商品化纳米塑料颗粒与自然产 生纳米塑料颗粒存在差异，且制备模拟自然条件纳米塑料颗粒领域较为空白。 模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒比市售商品化纳米塑料颗粒更接近自然产 生的纳米塑料颗粒。通过本发明方法进行制备，可以得到形成过程、表面粗糙 程度、粒径分布范围、物理化学性质等方面与自然产生的纳米塑料颗粒几乎无 差别的纳米塑料颗粒。本标准品可用于纳米塑料颗粒相关科研工作，例如建立 纳米塑料颗粒检测方法、纳米塑料颗粒对生物体的影响、纳米塑料颗粒在环境 中的分布变化等研究，提高研究的准确性。
24.2.本发明制备方法利用研磨、紫外光、酸碱、蛋白酶等条件处理，较大程 度还原自然条件中风化作用、紫外线照射、酸碱侵蚀等条件对塑料的影响，从 而在实验室条件下稳定制备出接近自然条件下产生的纳米塑料颗粒，仅需改变 初始塑料材质即可实现不同材质的纳米塑料颗粒的批量化生产。
25.3.本发明提供纳米塑料颗粒表征及检测方法。在制备纳米塑料颗粒的过程 中，建立有效的纳米塑料颗粒表征和检测手段。通过扫描电镜可以观察纳米塑 料的形貌，并初步计数。利用粒度仪分析纳米塑料颗粒的粒径分布、zeta电位， 通过纳米银颗粒的表面增强拉曼效应实现对纳米塑料颗粒的定性检测。在处理 条件确定的情况下，研磨时间20min，研磨质量0.6g，在扫描电镜下计数， 至少得到1.24
×
10
10
个纳米塑料颗粒，其粒度范围符合分级过滤的预期目的。
26.4.本发明建立的模拟自然条件下的纳米塑料颗粒制备方法有望应用于纳米 塑料相关的科研工作之中，为纳米塑料颗粒检测方法的建立提供更为准确的纳 米塑料颗粒样本以及相应的定性定量方法，为纳米塑料颗粒毒理研究提供更接 近自然状态下的纳米塑料颗粒标准品。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明实施例1制备方法得到的纳米塑料颗粒的表征示意图，a为模 拟自然条件破碎初始塑料示意图，b为初始塑料破碎后分级过滤过程示意图，c 为纳米塑料颗粒检测、表征过程示意图；
29.图2为本发明实施例1制备纳米塑料颗粒的研磨时间、研磨样品质量条件优 化电镜图，a为分级过滤后视野中的50～100nm粒径纳米塑料颗粒，b为扫描电 镜计数结果；
30.图3为本发明实施例1制备纳米塑料颗粒的检测及表征结果，a为制备纳米 塑料颗粒的各项形貌参数的测量，包括其对称角度、最大长度、宽度、面积的 测量结果，b为粒度分布结果，c为zeta电位结果，d、e为拉曼检测图谱，f为拉 曼检测谱图；
31.图4为本发明实施例1制备的纳米塑料颗粒与市售商品化纳米塑料颗粒以 及自然存在纳米塑料颗粒的参数对比，a为空白超纯水透射电镜图、b为商品化 荧光纳米塑料颗粒的透射电镜图，c为商品化单分散纳米塑料颗粒的透射电镜 图，d为实施例1制备的纳米塑料颗粒的透射电镜图，e为为自然产生的纳米塑 料颗粒的透射电镜图，f为空白超纯水扫描电镜图，g为商品化单分散纳米塑料 的扫描电镜图，h为为商品化荧光纳米塑料颗粒扫描电
镜图，i为实施例1制备 的纳米塑料颗粒的扫描电镜图，j为自然产生的纳米塑料颗粒的扫描电镜图，k 为商品化纳米塑料颗粒的参数曲线，l为本发明实施例1制备的纳米塑料颗粒的 参数曲线，m为自然产生的纳米塑料颗粒的参数曲线，n为粒度分布曲线，o为 zeta电位，p为拉曼光谱。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、 器件、组件和/或它们的组合。
34.本发明所述的不规则状是指外形不标准的立体形状，标准的立体形状为球 体、正方体、圆柱体、圆锥体、棱台、正四面体等。
35.鉴于商品化纳米塑料与自然界中存在的纳米塑料存在差异，无法将商品化 纳米塑料作为标准品进行研究，本发明提出了一种模拟自然条件制备纳米塑料 颗粒标准品及其研制方法。
36.在本发明的一种典型实施方式中，提供了一种模拟自然条件制备的纳米塑 料颗粒标准品，在10～1000nm的电子显微图中，颗粒呈现不规则状，采用超纯 水超声分散后的溶液zeta电位为-30～-20mv。
37.另一方面，一种模拟自然条件制备纳米塑料颗粒标准品的研制方法，将成 品塑料进行模拟自然老化处理，包括：酸处理、碱处理、蛋白酶处理、水浸泡 处理、烘干处理、紫外照射处理、研磨处理。
38.本发明的研制方法最大程度上避免了除塑料外其他物质的干扰，并且最大 程度模拟了自然条件对塑料的影响。例如：塑料在进入环境后，受潮湿环境影 响，如垃圾箱或者垃圾堆潮湿温热环境，或者进入海洋环境，ph范围在4.0～10.0 之间，利用酸、碱处理模拟此过程；塑料会受到阳光的直射，利用烘干及紫外 光照射模拟此过程；塑料在自然条件下还会受到风化作用影响，利用研磨模拟 此过程。
39.该实施方式的一些实施例中，酸处理采用酸的ph为3.5～4.5，处理时间为 2～24h。所述的酸可以为盐酸、硫酸、硝酸及混合酸均可。
40.该实施方式的一些实施例中，碱处理采用碱的ph为9.5～10.5，处理时间为 2～24h。所述的碱可以为氢氧化钠、氢氧化钾及混合碱均可。
41.该实施方式的一些实施例中，蛋白酶处理时间为12～36h。采用的蛋白酶 可以为胰蛋白酶。胰蛋白酶可以对表面附着的生物残留的蛋白质类物质进行有 效降解。
42.该实施方式的一些实施例中，水浸泡处理时间为12～36h。采用的水可以 为超纯水。超纯水的作用是避免自来水或者河水中其他杂质的影响。
43.该实施方式的一些实施例中，干燥温度为室温。本发明所述室温是指室内 环境温度，一般为15～30℃。干燥处理时间为12～36h。
44.该实施方式的一些实施例中，紫外照射处理时间为12～36h。
45.该实施方式的一些实施例中，研磨处理采用玛瑙研钵。在实验过程中，玻 璃研钵本身产生的杂质影响纳米塑料颗粒的制备，因而本发明选择了质地更为 坚硬的玛瑙研钵替代玻璃研钵。
46.该实施方式的一些实施例中，研磨处理时间不低于20min。当研磨20min 后，研磨时间的增加不能够显著增加纳米塑料颗粒的丰富度。因而研磨时间优 选为20min。
47.该实施方式的一些实施例中，自然模拟处理后进行分级过滤，能够稳定生 产不同粒径分布的纳米塑料颗粒。
48.本发明的第三种实施方式，提供了一种模拟上述自然条件的纳米塑料颗粒 标准品的表征方法，采用电子显微镜、粒度仪及表面增强拉曼光谱进行检测。
49.该实施方式的一些实施例中，电子显微镜为扫描电镜和/或透射电镜。
50.该实施方式的一些实施例中，将模拟自然条件制备的纳米塑料颗粒标准品 加入至超纯水中超声分散获得水分散液，采用透射电镜、粒度仪及表面增强拉 曼光谱对水分散液进行检测。
51.在一种或多种实施例中，将水分散液与胶体银溶液混合均匀，再加入硫酸 镁溶液混合均匀，然后滴加至拉曼光谱基底进行拉曼光谱扫描。
52.本发明的第四种实施方式，提供了一种上述模拟自然条件制备的纳米塑料 颗粒标准品在以下任一项应用：
53.a.在检测自然产生纳米塑料颗粒中的应用；
54.b.在研究纳米颗粒毒理中的应用；
55.c.在制备筛选用于治疗自然产生纳米塑料颗粒导致对动植物体损伤的药物 中的应用；
56.d.在研究纳米塑料在环境中行为变化中的应用。
57.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将 结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
58.实施例1
59.聚丙烯材料的破碎及分离
60.如图1所示，将聚丙烯外卖包装盒，依次进行盐酸(ph＝4.0)处理24h、 氢氧化钠溶液(ph＝10.0)处理24h、胰蛋白酶溶液(浓度为0.25％)处理24h、 超纯水浸泡24h、室温干燥24h、紫外照射24h，用剪刀初步破碎为1mm2小块， 取0.6g用玛瑙研钵进行研磨，研磨时间为20min，研磨后用超纯水冲至烧杯中， 获得样本。用孔径分别为400nm、200nm、100nm、50nm的滤膜进行分级过 滤，保留200nm、100nm、50nm孔径滤膜上的纳米塑料颗粒，相应的粒径分 布为200～400nm、100～200nm、50～100nm。滤膜均保留5mm
×
5mm中心部分， 喷金后作为扫描电镜观察样本，其余部分放至烧杯内，加5ml超纯水，超声处 理30min，以促进聚丙烯(pp)纳米塑料颗粒分散至超纯水中，得到不同粒径 pp纳米塑料颗粒超纯水分散样本。
61.纳米塑料颗粒表征及检测
62.膜上样本进行扫描电镜观察(3kv)，对纳米塑料颗粒形貌及颗粒丰富度 进行表征；对超纯水分散样本进行透射电镜(8kv)观察、粒度仪检测，对纳 米塑料颗粒形貌、尺寸进一步验证，对纳米塑料颗粒粒度分布以及zeta电位 进行分析。取20μl液体样本与1ml胶
体银溶液混合均匀，加入10μl浓度 为1mol/l的硫酸镁溶液，混合均匀，取5μl混合物滴加至洁净的硅片上，进 行拉曼光谱(633nm，5％)扫描，得到拉曼光谱信息。
63.扫描电镜下粒径为100～200nm的pp纳米塑料颗粒数量如图2所示，在相同 研磨条件下，研磨时间延长，pp纳米塑料颗粒丰富度增加不明显；在相同研磨 时间下，塑料质量增加，纳米塑料颗粒丰富度有显著增加。柱状图显示的是随 机挑选五个视野进行简单计数，考虑到过滤损失，0.6g塑料研磨20min，制备 出了至少6.2
×
109个pp纳米塑料颗粒。(公式：膜的有效过滤面积(2πmm2)
÷ꢀ
扫描电镜观测总面积(5
×
5mm2)
×
扫描电镜观测总面积(5
×
5mm2)
÷
扫描电 镜观测实际面积(4
×
10-3
×3×
10-3
mm2)＝平均观测数(43)。选取0.6g塑料、 研磨时间为20min作为研磨条件的效果更好。
64.不同粒径的pp纳米塑料颗粒的尺寸参数、粒度分布、zeta电位、拉曼光谱 数据如图3所示。在图3a中，制备的pp纳米塑料颗粒的尺寸逐渐减小，但是其 呈现不规则状；图3b中，制备粒径为200～400nm、100～200nm的pp纳米塑料 颗粒的实际粒径分别为255nm、122nm，分布符合预期，但制备粒径为50～100 nm的pp纳米塑料颗粒，呈现聚集状态，164nm的颗粒占23.4％、965nm的颗粒 占78.2％。随着pp纳米塑料颗粒粒径的减小，其zeta电位绝对值降低，颗粒分 散性变得不稳定，导致颗粒聚集。图3c显示，三种粒径pp纳米塑料颗粒最终 zeta电位结果均为-30mv左右。根据颗粒zeta电位与其在分散系中稳定性关系， 三种粒径的pp纳米塑料颗粒在超纯水中稳定性适中，其中制备粒径为50～100 nm的纳米塑料颗粒的实际粒径为965nm，以聚合状态存在。
65.图3d～f采用表面增强拉曼方法对制备的pp纳米塑料颗粒进行检测，胶体银 在超纯水环境中与样本混合，并吸附到制备的pp纳米塑料颗粒表面，在硅片上 进行干燥。吸附胶体银的pp纳米塑料颗粒作为凝结核心，将周围未吸附的银颗 粒聚集，形成1μm左右的斑点，对斑点进行扫描，得到841cm-1
、971cm-1
、1149 cm-1
、1451cm-1
聚丙烯特征峰。
66.表征的结果表明，本发明在实验室条件下成功制备了模拟自然条件产生的 不同粒径的pp纳米塑料颗粒。
67.图4a-f为在透射电镜和扫描电镜下80nm的商品化荧光ps微球和80nm的商 品化单分散ps微球形貌特征图。结果表明，无论是否具有荧光，80nm商品化ps 微球为均匀球形，并且分散性良好。这是由于其多为乳液聚合法合成，且表面 具有促进其分散稳定的表面活性剂。图4h、k为制备粒径50～100nm的pp纳米塑 料颗粒的透射电镜图片，图4i、l为制备粒径50～100nm的pp纳米塑料颗粒的扫 描电镜图，二者均为形状不规则的颗粒，且均有聚集现象。通过参数分析图4m、 n、o得出，制备的pp纳米塑料颗粒比商品化纳米塑料颗粒更接近自然存在的纳 米塑料颗粒。
68.图4n、o结果表明，商品化ps纳米塑料颗粒粒径分布良好且无聚集现象，而 制备的纳米塑料颗粒与自然存在的纳米塑料颗粒分布相似，出现聚集现象，其 粒度有显著增大趋势。zeta电位的结果也表明，商品化ps纳米塑料颗粒的zeta 电位与制备的pp纳米塑料颗粒zeta电位之间存在显著性差异，而制备的pp纳米 塑料颗粒zeta电位与自然存在的纳米塑料颗粒zeta电位无显著性差异。图4p表明 拉曼光谱结果定性为对应材料的纳米塑料颗粒。
69.因此，综合三者的粒度分布、zeta电位，本发明制备的pp纳米塑料颗粒更 接近于自然存在的纳米塑料颗粒。
70.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。