目前海洋微塑料及納米塑料監測方法的優缺點

國家海洋局三沙海洋環境監測中心站 許宇江，許宇山

微塑料和納米塑料嚴重威脅了以小顆粒為食物鏈基礎的生物（例如浮游生物），從環境和公共衛生的角度來看，納米塑料一旦被攝入，就會分布在不同的組織和器官中，這些納米顆粒還能夠穿過血腦屏障，對整個生物鏈影響惡劣。本文綜述納米塑料和微塑料的監測技術，分析相關技術的優缺點，為海洋監測工作者提供一定指導。

一、微塑料和納米塑料的定義

目前，業界將尺寸＜5毫米的塑料顆粒定義為微塑料，然而對于納米塑料，尺寸定義仍然是一個有爭議的話題。納米塑料被定義為至少有一個維度小于100nm的顆粒，但顆粒大小必須小于1μm。但也有建議將納米塑料分類為小于20nm的塑料顆粒，這個角度是基于這個尺寸的納米塑料和ENM對水生生物構成的危害更大。總之，鑒于微塑料和納米塑料對生物的影響巨大，從而引起科研工作者的廣泛關注。

二、微塑料和納米塑料的監測技術

（一）微塑料和納米塑料的識別和分類

分離出的微塑料和納米塑料通過肉眼或借助顯微鏡可以用于低至500μm的塑料監測。但僅僅通過目測的方式很難直接將塑料進行分類，進一步結合其他方法（如光譜分析），可以更加直觀和準確地觀測這些污染物。目前已有一些標準化流程出現，這樣可以盡可能減少監測者的主觀性和人為錯誤。

（二）熱降解-質譜技術

熱降解技術，例如熱解（pyr）或熱萃取和解吸（TED），與氣相色譜聯用質譜（GC/MS）相結合，通過破壞后獲得一系列小分子化合物，然后通過質譜技術可以獲得熱解后產物的具體信息，從而獲得聚合物類型的實際信息。Pyr-GC/MS和TED-GC/MS 所需的樣品量少 （5-200μg），也不需要預處理和單獨分選。在PE、PP、PS和PA海洋微塑料中存在鄰苯二甲酸二乙基己酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、苯甲醛、鄰苯二甲酸二異丁酯、鄰苯二甲酸二甲酯等在熱降解-質譜技術中都可以直接獲得信息，可以同時識別與聚合物相關的有機物，可以直接獲得信息。從另外一個角度來說，熱降解技術不用關注分析樣品的物理特征，包括數量、顏色和尺寸，只需要樣品的質量達到所需量就行。pyr-GC/MS僅限于少量樣品的監測，大量樣品檢查時具有一定的局限性，因此pyr-GC/MS不適合高通量測試。雖然TED-GC/MS可以避免這些限制，可以允許使用更高的樣品質量（比pyr-GC/MS高200倍）和相對較快的分析和質量定量時間，對于常見的聚合物類型PE、PP、PS、PA和PET具有很好的效果，但他的缺點是分離材料的粒子量化和形態表征嚴重限制該方法的使用，該方法僅針對上述最常見類型的聚合物，對其他類型的聚合物（PVC、PUR或PC等）很難進行鑒定。

（三）拉曼光譜

拉曼光譜是一種無損光譜技術，可以觀察系統中的低頻模式，例如旋轉和振動相互作用。這種技術簡單明了，可提供塑料的指紋結構，已成功應用于識別不同環境基質中的微塑料顆粒。

由于不同聚合物的拉曼光譜特征存在明顯區別，這種方法可以在幾分鐘內識別出塑料顆粒。拉曼光譜可以很容易地分析出目視可分選的塑料顆粒，進一步結合顯微鏡（拉曼顯微鏡），可以進一步成功識別小于1μm的塑料顆粒。將拉曼顯微鏡與拉曼光譜成像等技術相結合，可以獲得具有化學空間分布的圖像，并且理論上可以對整個膜過濾器進行高空間分辨（小于1μm）。這種結合技術可以簡化對較小顆粒的檢測和識別，但目前其對微塑料和納米塑料研究的適用性還有待商榷。

拉曼光譜與共聚焦顯微鏡技術相結合可以以亞細胞精度檢測識別細胞和組織中的塑料顆粒。結合原子力顯微鏡（AFM），在接觸和非接觸模式下操作AFM，拉曼還可以識別納米塑料。然而，這種技術相對操作困難且費時，因為在單個納米級粒子中找到和聚焦需要一定的技術和時間。此外，樣品本身具有熒光或者可以在激光下產生熒光，即含有有色的顏料、添加劑或生物質的樣品會產生無法解釋的拉曼光譜。

（四）紅外光譜

紅外光譜，即傅立葉變換紅外光譜（FTIR），可以根據聚合物的紅外光譜準確識別聚合物。拉曼光譜和FTIR光譜可以視為互補技術，因為紅外非活性的分子振動是拉曼活性的，反之亦然。簡而言之，拉曼光譜依賴于光散射和紅外吸收。與拉曼光譜一樣，塑料生成的IR光譜具有高度特異性，表現出不同的譜帶模式。此外，FTIR光譜還可以提供塑料樣品風化有關的補充信息，進而可以有效地根據氧化強度估計降解程度甚至生物降解程度。例如，可以通過測定羰基指數來實現上述監測，因為羰基的形成與多少與PE的氧化程度有關。借助FTIR光譜的衰減全反射（FTIR-ATR）可以輕松分析較大的塑料顆粒。

紅外光譜的測試時間較短，大多數樣品可能在不到一分鐘的時間內被明確識別。在實用性方面，相對較少的樣品，例如小于100個顆粒，可直接選擇FTIR-ATR分析，相反，對于大于100個顆粒的樣本，建議應將大于50%的樣本即總共至少有100個粒子進行FTIR-ATR分析。通過將顯微成像與FTIR耦合，可以以高空間分辨率收集IR信號，因為光束尺寸可能小至5μm，從而對成分復雜的樣品進行詳細表征。此外，基于焦平面陣列（FPA）的μFTIR能夠對樣品的總顆粒進行高通量分析，操作偏差或錯誤明顯減少，這可以顯著減少成像時間，但生成的光譜數量和存儲容量較大，需要過多且昂貴的硬件。

（五）高光譜成像技術

最近有發現高光譜成像技術可以識別和表征含有單分散和多分散球形和非球形聚合物顆粒的懸浮液。對于對照樣品和真實樣品，低至300μm的顆粒使用該方法可以獲得100%和84%塑料類別識別，這種技術是一種非破壞性、非侵入性、廉價、快速和可靠的技術。高光譜成像也可以用于識別復雜基質中的微塑料（例如土壤鐘），直接基于400nm到1000nm的波長范圍對所收集的采樣土壤進行成像。當采用支持向量機（SVM）算法來識別聚合物時，該技術可以以84%的精度識別尺寸范圍為1-5毫米的PE顆粒，雖然這種也可以識別較小的塑料顆粒（0.5-1毫米），但精度大約在77%左右。這種方法只能直接應用于測定土壤表面的微塑料，無法量化和識別樣品表面下方的任何顆粒。然而，高光譜成像可獲得PE、PP和PS的初步信息，如果要考慮所有塑料聚合物類型則需要進一步進行詳細的監測。

（六）C:H:N分析儀

基于不同的聚合物具有獨特的元素組成，因此可以使用C:H:N分析儀來識別塑料顆粒。但要精確鑒別這些塑料的類型，前期需要根據密度不同分離收集到的不同密度的塑料顆粒，從而可以更加準確地獲得潛在聚合物的類型。這種方法不能進行嚴格的化學分析并且需要大量時間，因此這種技術不適合高通量分析。此外，這種技術不適用于較小的塑料顆粒，雖然C:H:N分析儀可以揭示氮的存在和含量，也可以獲得微生物的相關信息，但氮不是合成聚合物的組成部分。

（七）分光光度計法

目前也報道了一些使用分光光度計法對微塑料進行量化的工作。分光光度計法與紫外-可見分光光度法類似，需要使用標準的膠體懸浮液獲得標準曲線，通過獲得真實樣品的熒光測量值，進而基于標準曲線獲得懸浮顆粒的相應濃度。但熒光光譜法不適合作為測定環境樣品中微塑料的定量分析工具，因為它對很多影響因素（如pH值或溶解氧的存在）高度敏感，這些因素可能會嚴重影響數據的準確性和重現性。

（八）其他技術

納米塑料的分析、鑒定和量化仍然是一個具有挑戰性的課題，僅對這些顆粒進行形態學表征是不夠的，而且還需要在納米尺度上進行詳細的化學分析。目前仍然沒有用于檢測和量化真實環境樣品中納米塑料的標準化協議，也沒有識別和表征環境中小于100nm塑料的具體技術，因為這些與天然存在的納米粒子具有類似的性質。因此，必須開發新方法來準確測定環境樣品中的塑料顆粒。

電子顯微鏡與能量色散X射線光譜（SEM-EDS或SEM-EDS）相結合是目前使用最廣泛的表面分析技術，可以實現優于 50pm（5.0×10-5μm） 的空間分辨率。除了產生低能量的二次電子外，電子轟擊樣品還會形成背散射電子和X射線。這些背散射電子的強度可以與采樣區域/體積中特定元素的原子序數相關聯，從而可以獲得一定程度的定性信息。然而，這種技術有明顯具有一定的局限性。電子顯微鏡的購買和維護成本很高，有些需要非常穩定的建筑物（通常是地下，有微小的震動也會影響監測效果）和特殊條件（例如磁場消除）。此外，盡管分辨率明顯得到提高，也可以進行非常詳細的觀察，但樣品制備和分析的周期冗長，這些缺點明顯影響了電子顯微鏡的使用，大范圍使用電子顯微鏡對微塑料和納米塑料進行監測工作。

最近報道了一種用于檢測水生和復雜基質（例如食品）中納米塑料的不對稱流場-流動分餾與多角度光散射耦合技術（AF4-MLS）。分餾步驟（AF4）可以分離各種聚合物，而MALS技術可以獲得尺信息。同樣，這種方法仍然存在一些局限性，包括回收率低（50nm塑料顆粒的回收率約為50%）和光散射背景高，這些限制了其檢測性能。此外，包括pH值和緩沖液的濃度都會影響該方法的性能。

三、結論

在過去幾年，塑料污染及其相關危害已經引起了大家的廣泛關注，環境中的微塑料和納米塑料監測仍然面臨巨大挑戰。本文對目前已報道的相關監測技術進行綜述，并對相關技術的優點和缺點進行闡述。目前的監測技術還存在一定的局限性，還需要研究新的分析方法，以識別、表征和量化環境基質中的微塑料和納米塑料以及這些材料的詳細毒性和毒代動力學。

相關鏈接

微塑料，是一種直徑小于5毫米的塑料顆粒，是一種造成污染的主要載體。微塑料體積小，這就意味著更高的比表面積（比表面積指多孔固體物質單位質量所具有的表面積），比表面積越大，吸附的污染物的能力越強。

首先，環境中已經存在大量的多氯聯苯、雙酚A等持久性有機污染物（這些有機污染物往往是疏水的，就是說它們不太容易溶解在水中，也不容易被水體稀釋），一旦微塑料和這些污染物相遇，正好聚集形成一個有機污染球體。微塑料相當于成為污染物的坐騎，二者可以在環境中到處游蕩。

2004年，微塑料這一概念是在發表在Science的一篇文章（Lost at Sea：where is all the plastic？）中首次提出。且由于微塑料在海洋環境中的廣泛存在以及對生物產生的各種確定的以及不確定的危害，得到了各界的廣泛關注。

2007年，中國正式啟動海洋垃圾監測工作，2016年將海洋微塑料納入監測范圍。

2019年，監測結果表明，中國海洋表層水體漂浮垃圾平均個數為4027個/平方公里，與北大西洋沿岸等近海區域處于同一水平（低于北大西洋中部環流區熱帶區域、東北太平洋和黑潮區域）。中國渤海和東海近海海域表層水體微塑料的平均密度為0.82個/立方米和0.25個/立方米，與近年來國際同類調查結果相比，中國近海表層水體微塑料含量處于中低水平。

2020年7月，九部委聯合印發《關于扎實推進塑料污染治理工作的通知》，明確規定了禁限期限；二是替代使用，推廣使用非塑制品和可降解購物袋、可降解地膜等；三是加強回收，回收利用和處置塑料廢棄物，禁止隨意堆放、傾倒造成塑料垃圾污染，規范廢舊漁網漁具回收處置；四是開展清理，開展生活垃圾清理、港灣塑料垃圾清理、清潔海灘行動。