紅外顯微光譜法測定生活飲用水中微塑料

李 珊，張 嵐，邢方瀟，陳永艷，岳銀玲

(中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，北京 100021)

微塑料是近幾年備受關(guān)注的一種新興污染物，其種類豐富，污染來源眾多，具有粒徑小、質(zhì)量輕、難降解等特點(diǎn)，可隨空氣、水流、地質(zhì)運(yùn)動及生物活動快速遷移擴(kuò)散，從而造成大范圍的環(huán)境污染[1]。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料疏水性表面吸附的持久性有機(jī)物，如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、壬基酚、三氯生等及其內(nèi)部的添加劑，如鄰苯二甲酸酯、多溴聯(lián)苯醚等會在生物體腸道內(nèi)滲出[2-4]。這些物質(zhì)可隨生物攝食進(jìn)入食物鏈并層層富集，帶來諸如干擾消化、減少進(jìn)食、引發(fā)組織炎癥、細(xì)胞增殖和壞死、損害免疫細(xì)胞等健康風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。

相關(guān)研究顯示，英國、德國、捷克等眾多國家的地表水、地下水、自來水及瓶裝水中均有微塑料檢出[7-15]。目前，國際上尚未建立飲用水中微塑料的標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)方法，相關(guān)文獻(xiàn)中采用的前處理及檢測方法也不盡相同。本研究根據(jù)飲用水中微塑料數(shù)量少、粒徑小的特征，基于紅外顯微分析技術(shù)探索可用于飲用水中微塑料檢測的定性定量分析方法，力求操作簡單，檢測時(shí)間適宜，檢測結(jié)果準(zhǔn)確有效。

1 試驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

傅里葉紅外顯微光譜儀(Spotlight-400，美國PerkinElmer公司)，純水機(jī)(Milli-Q Integral 5，美國Millipore公司)，隔膜真空泵(GM-0.5 A，天津津騰設(shè)備有限公司)，超聲波清洗器，玻璃抽濾裝置。過氧化氫溶液(分析純，30%)、無水乙醇(分析純)、硝酸(分析純)、異丙醇(分析純)；硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜、不銹鋼濾膜、銀膜；聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺/尼龍(Polyamide/Nylon 6)、纖維素(Cellulose)、聚苯乙烯(PS)微塑料標(biāo)準(zhǔn)品。

1.2 方法

目前，水體中常用的微塑料鑒別方法有目視法、電子顯微鏡掃描法、熱分析法、拉曼光譜法和紅外光譜法[16-20]。前期研究[21]已對各種鑒定方法進(jìn)行了適用性分析，根據(jù)飲用水中微塑料數(shù)量少、粒徑小等特點(diǎn)，紅外光譜法和拉曼光譜法被認(rèn)為是適宜的檢測技術(shù)。本研究基于紅外顯微光譜技術(shù)開展了飲用水中微塑料檢測方法的研究，對樣品前處理過程，如抽濾、消解、洗脫等步驟及顯微紅外光譜儀的儀器參數(shù)進(jìn)行了條件優(yōu)化試驗(yàn)。

1.2.1 抽濾

本研究設(shè)定了2個抽濾步驟，分別為一級抽濾和二級抽濾。一級抽濾的目的是完成大體積水樣的抽濾過程，盡可能將水樣中的所有待測物質(zhì)截留在濾膜上，以方便后續(xù)對干擾物質(zhì)進(jìn)行消解，同時(shí)減少二級抽濾的操作難度；二級抽濾的目的是將小體積洗脫液中的待測物質(zhì)抽濾至合適的濾膜上，并盡量縮小濾膜的有效抽濾面積，以提高儀器檢測效率。

1.2.2 消解

預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生活飲用水中普遍存在一類物質(zhì)，其特征吸收峰與標(biāo)準(zhǔn)譜庫中的蛋白質(zhì)、毛產(chǎn)品及谷物蛋白標(biāo)準(zhǔn)譜圖高度重合。這類干擾物質(zhì)的存在會影響待測物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的匹配度，而消解能有效去除該物質(zhì)。本研究以30%H2O2為消解液，研究了不同加熱時(shí)長的消解效果。

1.2.3 洗脫

洗脫的目的是將一級抽濾濾膜上截留的待測物質(zhì)轉(zhuǎn)移至小體積洗脫液中，以便進(jìn)行二級抽濾。本研究通過微塑料純水加標(biāo)試驗(yàn)，研究超聲時(shí)間和超聲溫度對微塑料洗脫效果的影響。

1.2.4 定性和定量分析

紅外光譜法是指用一定波段的紅外光照射待測物質(zhì)，分子選擇性吸收某些波長的紅外線，引起分子中振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷。將儀器檢測得到的物質(zhì)的紅外吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行比對，從而完成物質(zhì)的定性定量分析。本研究綜合考慮儀器的檢測靈敏度、檢測時(shí)間成本及信息收集效率，確定檢測模式及空間分辨率。另外，通過微塑料標(biāo)準(zhǔn)品的模擬測定試驗(yàn)，對所得光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度進(jìn)行分析，確定本研究可接受的匹配度，進(jìn)而對實(shí)際水樣中檢測到的微塑料進(jìn)行定量分析。

1.3 質(zhì)量控制措施

操作過程中，避免樣品與塑料器皿接觸；對全部器皿采取嚴(yán)格的清洗過程；超純水在使用前經(jīng)不銹鋼濾膜過濾。此外，為避免外環(huán)境及操作過程可能引入的污染，在每批次樣品的檢測過程中均設(shè)置全程序空白樣，在后續(xù)分析實(shí)際樣品數(shù)據(jù)時(shí)予以扣除。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抽濾

前期研究[22]中，通過加標(biāo)回收試驗(yàn)測試了硝酸纖維素濾膜、聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜、玻璃纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及不銹鋼濾膜6種濾膜的抽濾性能和洗脫性能。結(jié)果顯示：不銹鋼濾膜、聚四氟乙烯濾膜及聚碳酸酯濾膜均有較好的截留和洗脫效果；不銹鋼濾膜的截留率和洗脫率分別為97.1%、94.2%；聚四氟乙烯濾膜的截留率和洗脫率分別為94.2%、91.7%；聚碳酸酯濾膜的截留率和洗脫率分別為89.1%、95.9%；鑒于聚四氟乙烯和聚碳酸酯也是常見的塑料材質(zhì)，因而選擇不銹鋼濾膜進(jìn)行一級抽濾。二級抽濾濾膜需考慮濾膜是否適合紅外顯微光譜儀的檢測模式。本研究考察了銀膜及上述6種濾膜的綜合性能，結(jié)合可操作性及檢測成本，將銀膜作為二級抽濾濾膜，并于紅外顯微光譜儀ATR成像模式下進(jìn)行微塑料定性和定量分析。研究根據(jù)需要，對直徑為25 mm的玻璃抽濾裝置進(jìn)行了改造，使濾膜的有效抽濾直徑縮小至3.7 mm。

2.2 消解

以超純水和飲用水為試驗(yàn)介質(zhì)，以30%H2O2為消解液，以2 d作為消解時(shí)間，考察40 ℃條件下、不同加熱時(shí)長(0、12 h和24 h)對干擾物質(zhì)的消解效果。消解時(shí)間及加熱時(shí)長的組合模式如表1所示，相應(yīng)的消解效果如圖1所示，圖中圓圈處表示消解處理后殘存的干擾物質(zhì)。如圖1(b)、1(c)、1(d)、1(f)、1(g)、1(i)所示，在40 ℃條件下，加熱時(shí)間越長，消解效果越好。因此，本研究選擇用30%H2O2消解2 d，并在40 ℃條件下加熱24 h，來消解飲用水中的干擾物質(zhì)。

表1 消解試驗(yàn)條件Tab.1 Conditions of Digestion Tests

圖1 不同試驗(yàn)條件下干擾物質(zhì)的消解效果圖(a)～(d)按表1中a～d的消解條件對濾后超純水進(jìn)行消解所得的總吸光度圖；(e)～(i)按表1中e～i的消解條件對飲用水樣本進(jìn)行消解所得的總吸光度圖圖1Fig.1 Digestion Effect of Interfering Substances under Different Test Conditions(a)～(d) Total Absorbance of Ultra-Pure Water by Digestion Conditions in Tab.1 (a～d);(e)～(i) Total Absorbance of Drinking Water by Digestion Conditions in Tab.1 (e～i)

2.3 洗脫

以PE、PVC、PTFE、PA、PS微塑料標(biāo)準(zhǔn)品為試驗(yàn)對象，考察不同超聲時(shí)間和不同超聲溫度條件下微塑料的洗脫效果。

2.3.1 超聲時(shí)間

分別考察10、20 min以及30 min超聲對微塑料洗脫效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)超聲時(shí)間為10 min時(shí)，微塑料的回收率在72.8%～100.9%；當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)，微塑料的回收率在84.2%～99.3%；當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，微塑料的回收率在97.4%～120.4%，即隨著超聲時(shí)間的增加，微塑料的回收率有一定的增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，3組數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，如表2所示。但當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，PE、PA、PS的回收率均超過了加標(biāo)量。因此，本研究將超聲時(shí)間確定為20 min。

表2 不同超聲時(shí)間對微塑料回收率的影響Tab.2 Effect of Different Ultrasonic Time on Recovery Rate of Microplastics

2.3.2 超聲溫度

由于塑料成分在40 ℃以上會發(fā)生分解[23]，本研究在超聲20 min時(shí)分別設(shè)定30 ℃和40 ℃這2個溫度條件。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)超聲溫度為30 ℃時(shí)，微塑料的回收率在84.2%～92.9%；當(dāng)超聲溫度為40 ℃時(shí)，微塑料的回收率在83.5%～94.3%，如表3所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組數(shù)據(jù)無顯著性差異(P>0.05)。因此，本研究將超聲溫度確定為30 ℃。

表3 不同超聲溫度對微塑料回收率的影響Tab.3 Effect of Different Ultrasonic Temperature on Recovery Rate of Microplastics

2.4 定性和定量分析

2.4.1 檢測模式

傅里葉顯微紅外光譜儀分別具有透射、反射及全衰減反射(ATR)3種采樣模式和點(diǎn)、繪圖及成像3種測量模式。透射模式和反射模式對檢測基底、樣品的厚度及透光性有很高的要求，且所能檢測物質(zhì)的粒徑大于ATR模式；而ATR是通過ATR晶體與濾膜直接接觸，采集接觸面上的待測物質(zhì)信息，操作簡單，無需挑選、制備樣品，且檢測對象的粒徑可小至幾μm。測量模式中的繪圖模式及成像模式可靈活應(yīng)用于3種采樣模式，實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動化。其中，成像模式使用具有元件陣列的檢測器可同時(shí)測量多個點(diǎn)，顯著加快了測量速度。因此，本研究選用ATR成像模式進(jìn)行信息采集。

2.4.2 空間分辨率

ATR成像模式的空間分辨率可設(shè)置為1.56 μm或6.25 μm。ATR晶體單次可檢測最大區(qū)域?yàn)? 250 μm×1 250 μm。若對本研究二級抽濾獲得的直徑為3.7 mm的區(qū)域進(jìn)行測定分析，在相同參數(shù)條件下(光譜分辨率為16 cm-1，每個像素點(diǎn)掃描2次，掃描速度為1 cm/s，紅外光波長為4 000～750 cm-1)。當(dāng)空間分辨率為6.25 μm時(shí)，檢測一張濾膜需耗時(shí)3～3.5 h。當(dāng)空間分辨率為1.56 μm時(shí)，檢測一張濾膜需耗時(shí)約36 h。綜合考慮圖譜質(zhì)量和檢測時(shí)長，本研究將空間分辨率設(shè)置為6.25 μm。

2.4.3 匹配度

匹配度是指用數(shù)據(jù)來衡量某待測物質(zhì)的紅外光譜與相應(yīng)純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜的相似度，目前尚無文獻(xiàn)給出標(biāo)準(zhǔn)化的匹配度參考值。本研究以PVC、PE、PTFE、PS、PA微塑料標(biāo)準(zhǔn)品為試驗(yàn)對象，按照本研究確定的試驗(yàn)條件進(jìn)行前處理和儀器分析，將試驗(yàn)得到的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜庫中相應(yīng)塑料的標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對。結(jié)果顯示，5種微塑料的匹配度均大于75%。考慮到實(shí)際水樣中的微塑料可能在環(huán)境中經(jīng)歷自然老化過程，理論上與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度應(yīng)小于本試驗(yàn)得到的匹配度。因此，本研究選擇將70%作為匹配度確認(rèn)條件，即當(dāng)待測物光譜和標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度達(dá)到70%以上時(shí)，認(rèn)為該物質(zhì)是某類微塑料。

2.5 方法準(zhǔn)確度和精密度

本研究以PE微塑料為試驗(yàn)對象，將已知數(shù)量的微塑料加入到6份超純水中，并定容至5 L，按照本研究確定的試驗(yàn)條件進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，本方法的回收率在73.1%～92.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=6)為8.7%，如表4所示。

表4 準(zhǔn)確度和精密度試驗(yàn)Tab.4 Accuracy and Precision Tests

3 實(shí)際水樣檢測

采集4份末梢水樣品，按本研究確定的方法對末梢水及全程序空白樣中的微塑料濃度進(jìn)行測定。扣除空白后，1#、2#、3#、4#水樣中微塑料濃度分別為11.70、8.50、13.40個/L和5.90個/L。樣品中檢出的不同成分微塑料的構(gòu)成如圖2所示。由圖2可知，聚縮醛(POM)、PTFE、PS、PVC、聚丙烯(PP)在4份水樣中均有檢出，其中POM是檢出比例最高的微塑料類型，數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的64.1%、57.6%、47.8%和71.2%；PTFE次之，其檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的7.7%、5.9%、15.7%和5.1%；PS檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的0.9%、15.3%、11.2%、1.7%；PVC檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的2.6%、2.4%、0.7%、1.7%；PP檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的0.9%、1.2%、0.7%、3.4%。將此次檢測到的聚酰胺(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)氧樹脂(Epoxy resin)及聚丙烯酸酯(Polyacrylate)等物質(zhì)統(tǒng)稱為涂料顆粒，涂料顆粒在1#、2#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為15.4%、9.4%、1.7%；PE在1#、3#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為2.6%、23.9%、8.5%；PET在1#、2#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為4.3%、7.1%、6.8%。PA僅在1#、2#中檢出，檢出比例分別為0.9%、1.2%；聚丙烯酰胺(PAM)僅在1#水樣檢出，檢出比例為0.9%。初步分析，本研究檢出的微塑料類型可能與制水工藝、輸配水管道或防腐涂料有關(guān)，如POM常見于輸配水管的接頭，PTFE常見于水龍頭管件與配水管接口處的生料帶，PU、PMMA、環(huán)氧樹脂及聚丙烯酸酯等常見于輸水管內(nèi)壁涂料等。上述僅是從成分角度進(jìn)行的初步分析，其具體來源還有待進(jìn)一步溯源和確證性研究。

圖2 生活飲用水中不同類型的微塑料分布情況Fig.2 Distribution of Different Microplastics in Drinking Water

4 結(jié)論

本研究建立了可用于檢測生活飲用水中微塑料的紅外顯微光譜測定方法。通過一級抽濾、消解、洗脫、二級抽濾等前處理過程，富集水樣中的待測物質(zhì)，采用傅里葉紅外顯微光譜儀的ATR成像模式進(jìn)行定性和定量分析。本方法樣品前處理簡便，操作簡單，檢測時(shí)間成本較低，準(zhǔn)確度和精密度均較高，可用于檢測生活飲用水中的微塑料。