環(huán)境水體中微塑料分析方法研究進展

姚情璐，楊 超,2，*，翟宇輝，馬 瑜，陳 玲,2

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092；2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

塑料是一種高分子聚合物，具有耐用、防水、抗腐蝕能力強等優(yōu)良的物理化學特征。自20世紀50年代起，塑料被大量生產(chǎn)、使用及丟棄。水體中的廢棄塑料在物理、化學、生物等作用下，逐步被降解為粒徑小于5 mm的微顆粒，成為一種有機污染物和金屬污染物的主要載體。早在20世紀70年代，微塑料顆粒就已經(jīng)在海面上被首次發(fā)現(xiàn)[1]，2011年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)正式將海洋微塑料引起的環(huán)境問題列為重要議題，微塑料也逐步得到了人們更多的關注。

微塑料作為一種新型的環(huán)境污染物，因塑料其本身的化學性質(zhì)，通常具有很強的疏水性和持久性，進入環(huán)境水體中的大部分微塑料很難在短時間內(nèi)被自然降解。尤其在海洋環(huán)境中，微塑料可通過風力、河流及洋流等作用進行遠距離的遷移，目前已普遍存在于全球的生態(tài)系統(tǒng)中。由于微塑料比表面積高、親脂性強，在水體運動過程中，其表面極易吸附有毒污染物。水生生物誤食攜帶污染物的微塑料后無法消化，從而微塑料就進入了海洋生物鏈，并且在各生物體內(nèi)富集，釋放有毒副產(chǎn)物，最后對人類健康也構成風險。

目前，各國學者對水體中的微塑料污染進行了諸多研究，但處理方法、鑒定方法等分析方法仍存在較大差異，導致研究結(jié)果無法相互印證。微塑料的采集、預處理過程是分析微塑料的重要過程，但大部分過程易丟失、損傷微塑料或受到微塑料污染，直接影響微塑料定量分析的可靠性。大量學者同樣對微塑料的定量與定性方法進行研究，但主要關注在各方法的差異性，缺乏對主流推薦技術的描述。如Lee等[2]綜合分析了各常見定量、定性分析方法的適用性與局限性；Xu等[3]介紹了拉曼光譜(Raman spectra)與傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR)在微塑料鑒定上的應用對比；Pealver等[4]對基于熱裂解-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(Py-GC-MS)、熱重分析(TGA)等技術的微塑料鑒定方法進行了綜述，但均未提出一套適合檢測水環(huán)境微塑料的全流程分析方法，并且對新興主流方法micro-FTIR的介紹欠詳實。本文在國內(nèi)外研究的基礎上，對水體中微塑料的采集、提取和鑒定等方法進行歸納與總結(jié)，并集中介紹micro-FTIR在微塑料定性、定量分析上的應用，以期為對開展環(huán)境水體中微塑料研究提供技術保障。

1 微塑料采集與提取方法

1.1 水體樣品采集方法

在水體中，目前使用較多的采集方法是樣品濃縮法、大樣品法。樣品濃縮法即在采樣現(xiàn)場結(jié)合采樣點的位置選擇Manta拖網(wǎng)、Neuston拖網(wǎng)等不同的浮游生物網(wǎng)對微塑料進行收集[5]。選擇合適孔徑的浮游生物網(wǎng)是該法的關鍵，孔徑過小將導致各類懸浮物質(zhì)堵塞網(wǎng)孔，孔徑過大將丟失小粒徑、纖維狀的微塑料[6]。為解決由于孔徑限制無法捕捉小顆粒微塑料的問題，可選擇大樣品法，即利用水泵[7]或不銹鋼桶[8]直接對水樣進行收集，水樣冷凍保存后運回實驗室，過濾富集后進而獲得微塑料[9]。

表1列舉了部分研究對微塑料的采集過程、濃度范圍及粒徑分布情況。水體中微塑料豐度較小，粒徑較小，無法通過目檢進行分離。Liu等[10]對比了在同一地點使用樣品濃縮法和大樣品法所檢測到的微塑料濃度差異，采用大樣品法所測得的濃度高于樣品濃縮法約3個數(shù)量級。通過粒徑分布可以看出，使用樣品濃縮法時其粒徑分布極易受拖網(wǎng)孔徑影響，且小粒徑占比明顯低于大樣品法，使用大樣品法得到的粒徑分布較樣品濃縮法而言更加完整。因此，認為大樣品法更加適合于水體樣品[11]。

表1 環(huán)境樣品中微塑料的主要采集方法

1.2 水體中微塑料提取方法

水體環(huán)境復雜，微塑料顆粒較小，在水體中易互相黏連，呈團聚狀，往往需要通過預處理對微塑料樣品進行提取。下文重點介紹消解凈化、密度浮選和過濾處理3種提取方法。

1.2.1 消解凈化

由于微塑料具有比表面積大的特征，其表面易吸附有機物、生物物質(zhì)等雜質(zhì)，會嚴重影響微塑料成分分析的準確度，因此，需要使用化學法、生物法對微塑料進行凈化。目前，常用的消解凈化液為30% H2O2[18-19]、芬頓試劑(H2O2+Fe2+)[1,20]、強酸強堿[21]、生物酶等。不同的消解凈化液對有機物、生物物質(zhì)的消解效果不同，微塑料的回收率也不同。研究表明，在室溫下強酸強堿難以完全消解表面附著物，并會損害微塑料表面，而35% H2O2溶液能溶解生物物質(zhì)，并且在催化劑Fe2+的作用下，H2O2能夠更高效地消解難以消解的有機物，該方法具有回收率高、對微塑料形狀改變較小的優(yōu)點[22]。生物酶作為消解液，具有與H2O2相同的優(yōu)點，但保持生物酶的活性比較困難，并且消解耗時較長，限制了該方法的應用。

1.2.2 密度浮選

當水樣中存在大量沉淀物或進行消解凈化后，使用過濾處理無法對微塑料進行有效分離時，密度浮選可以作為過濾處理的輔助方法。表2列舉常用浮選液與對應可浮選塑料類型。微塑料的密度一般為0.8～1.4 g/cm3，約46%的微塑料會漂浮在水面上，而剩余密度相對較高的微塑料可利用高密度的飽和鹽溶液進行浮選分離。由于NaCl便宜、無毒、易獲取，飽和NaCl溶液(ρ=1.2 g/cm3)是研究中最常用到的鹽溶液[12,23]。對于更高密度的微塑料，常結(jié)合飽和ZnCl2溶液(ρ=1.6 g/cm3)、飽和甲酸鉀溶液(ρ=1.6 g/cm3)、飽和NaI溶液(ρ=1.8 g/cm3)進行進一步分離。

表2 浮選液與可分離微塑料類型[11]

1.2.3 過濾處理

過濾處理是從水體中提取微塑料的必需過程。根據(jù)目標微塑料的尺寸來選擇合適的篩網(wǎng)或膜過濾器，將目標微塑料顆粒分級存留在濾膜上，從而獲取水體中微塑料粒徑分布特征。不少研究使用不同孔徑堆疊篩進行粒徑篩分[15,20]。篩分過濾處理操作簡單，不會對微塑料的表面結(jié)構或其他物理特性造成影響。但主要的缺點是微塑料易卡在濾膜孔隙中，導致所測得微塑料濃度偏小；并且各學者選擇的孔徑并不一致，致使各地區(qū)微塑料濃度數(shù)據(jù)不具有可比性，亟需統(tǒng)一的粒徑劃分來規(guī)范化濾膜孔徑的選擇。

消解凈化能夠去除最多雜質(zhì)，但同時消解液的選擇、用量、溫度均會影響微塑料表面的完整性；密度浮選操作較為簡單，浮選液的腐蝕性較小；過濾處理操作過程簡單，但是對微塑料的定量分析的準確性會產(chǎn)生影響。目前大部分研究均使用了以上3種方法，表3列舉了部分研究的提取方法及回收率。使用多種提取方法能夠獲得較為潔凈的微塑料，為定性分析提供良好基礎，但無法避免在轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的損失，因此，需根據(jù)水樣的水質(zhì)和微塑料賦存情況來選擇預處理的步驟[24]。

表3 環(huán)境樣品中微塑料的主要提取方法

2 微塑料的分析方法

環(huán)境水體中微塑料的成分、粒徑和表面結(jié)構將決定其環(huán)境行為。分析微塑料的粒徑分布、表面結(jié)構可獲得水中塑料的降解速率，且不同粒徑的微塑料對水生生態(tài)系統(tǒng)有不同的反應機制和毒性影響；不同極性的微塑料易攜帶的污染物也不同，微塑料的成分分析可為溯源工作、降解轉(zhuǎn)化提供有效信息。因此，現(xiàn)階段應對微塑料成分、粒徑和表面結(jié)構等方面展開研究。

2.1 物理形態(tài)表征分析

微塑料的粒度特征、結(jié)構表征均可使用顯微鏡進行判定，但由于分辨率的限制，光學顯微鏡僅適合識別粒徑大于1 mm的微塑料顆粒。為了實現(xiàn)對微塑料的高效檢測，掃描電子顯微鏡-能量分散光譜聯(lián)用儀(SEM-EDS)既能夠獲取微塑料的表面特征、粒徑大小，也能夠獲取樣品的化學成分，可對微塑料進行鑒定[18]。

2.2 定量分析

2.2.1 計數(shù)法

目前，微塑料的豐度常采用個數(shù)計量表示方式，現(xiàn)階段最常用的定量方法是傳統(tǒng)的人工計數(shù)，即在顯微鏡下對微塑料顆粒進行分組，主觀計數(shù)，計算微塑料豐度。人工計數(shù)法操作簡單、成本低，但該法易受肉眼識別、背景干擾等因素影響，人為誤差隨微塑料粒徑減小而顯著提升。顯微鏡與FTIR的結(jié)合能夠有效提高識別微塑料的準確性，李珊等[26]使用衰減全反射(attenuated total reflection，ATR)成像模式下的micro-FTIR對飲用水中的微塑料進行定量檢測。基于焦平面陣列(focal plane array，F(xiàn)PA)探測器的ATR-micro-FTIR能夠同時掃描多個區(qū)域內(nèi)的目標微塑料，自主分析紅外成像并計數(shù)，有效減少人為誤差及檢測時間，高效獲取微塑料豐度[27]。

2.2.2 質(zhì)量濃度法

近年來，常使用熱分析法對微塑料的質(zhì)量濃度進行定量，表4給出了文獻[2-4]的研究結(jié)果。Py-GC-MS利用熱分析儀在無氧條件下將微塑料化學鍵斷裂，生成低分子量的揮發(fā)性物質(zhì)，利用氣相色譜/質(zhì)譜進行定量分析，檢出限(LOD)在pg～mg[2,4]，還可避免有機添加物的干擾。Scherer等[21]采用Py-GC-MS對水體中的微塑料進行了定量分析，通過將特征熱解產(chǎn)物的峰值強度與校準標準曲線的結(jié)果進行比較來計算聚合物豐度。熱重分析-差示掃描量熱法聯(lián)用技術(TGA-DSC)結(jié)合這兩種熱技術的優(yōu)點，當樣品進行吸熱或放熱時，在DSC系統(tǒng)中產(chǎn)生的峰是定量分析的依據(jù)，對于具有較高的吸熱吸收率的PE，其LOD可達1 mg[28]。相較于計數(shù)法，使用熱分析法能夠規(guī)避主觀計數(shù)的高誤差率；同時熱分析儀器對樣品適應性高，微塑料表面的附著物對結(jié)果影響較小，可減少樣品預處理步驟；主要缺點為該法具有破壞性，無法實現(xiàn)微塑料的預富集，且每次檢測量很小，不適合批量檢測。

表4 微塑料的分析儀器對比

綜上，在定量分析上更加推薦具有自主分析能力、表述單位直觀的micro-FTIR，在有條件的情況下，可使用Py-GC-MS對微塑料的質(zhì)量濃度進行補充檢測。

2.3 成分鑒定分析

構成微塑料的有機物具有不同的官能團，常通過分析樣品產(chǎn)生的特征光譜來識別微塑料的化學組成，最常使用的為FTIR[8]和Raman spectra法[23]，如表4所示。

塑料聚合物具有高度特異性的紅外光譜和獨特的波段模式，使FTIR成為不少學者首選技術之一。在FTIR中，樣品吸收不同頻率的紅外光后，根據(jù)分子不同的偶極矩變化而產(chǎn)生紅外光譜對微塑料進行成分的鑒定，更適用于具有極性官能團的微塑料的檢出，如PVC、PA等。為滿足小粒徑微塑料的檢測要求，micro-FTIR逐步得到發(fā)展。micro-FTIR具有透射、反射、ATR這3種測試模式。透射模式適用于透光性較好的微塑料，無法對較厚的微塑料樣品進行檢測；反射模式的譜圖質(zhì)量主要取決于樣品表面粗糙度，檢測表面粗糙且不規(guī)則形狀的水體微塑料樣品時，可能會由于折射誤差而影響分析結(jié)果[29]；ATR模式的信息均直接采集于樣品表面，不受樣品厚度、表面粗糙程度、背景噪音等干擾，但耗時長，時間效益低[27]。基于FPA的micro-FTIR則可以對載物臺上的微塑料樣品進行高通量分析，縮短檢測時間，同時降低粒徑檢出下限，可檢測10 μm以上的顆粒。Xu等[3]指出FPA探測器可以收集非均質(zhì)微塑料粒子的空間和光譜信息，克服了FTIR無法對較厚微塑料檢測的弊端。micro-FTIR將FTIR的定性分析技術與顯微鏡的微觀可視化技術進行結(jié)合[30]，可在獲取微塑料的空間結(jié)構的基礎上獲得特征化學成分，避免樣品在各儀器間轉(zhuǎn)運所產(chǎn)生的損失。L?eder等[29]使用基于FPA的micro-FTIR對樣品中的微塑料進行分析，通過譜圖比對后，僅有1.4%的顆粒屬于塑料顆粒。由此可見，凈化處理仍無法避免形貌相似的雜質(zhì)混入樣品中，表面特征觀察和成分鑒定同時進行能夠減少重復勞動，為微塑料鑒定節(jié)約大量時間。同時由于其具有操作簡單、成本較低、對樣品無損害、檢測結(jié)果更直觀、準確、效率高等優(yōu)點，基于FPA的micro-FTIR被認為是當前檢測微塑料的理想方法。

Raman spectra法根據(jù)分子在振動模式下極化率變化來獲取樣品分子結(jié)構的信息，因此，能更準確地識別具有非極性官能團的分子，如PP、PE、PS等。由于Raman光譜法具有相較于紅外光譜更寬的光譜范圍以及更高的分辨率，有效地擴大了可檢測的成分種類以及粒徑范圍，可對粒徑小于1 μm，甚至粒徑更小的微塑料顆粒進行鑒定。Xu等[31]研究發(fā)現(xiàn)，表面增強Raman spectra可以對(單個)微納米塑料檢測和識別，檢測尺寸低至360 nm。然而樣品表面的微生物、污染物會產(chǎn)生熒光干擾，對樣品預處理提出了更高的要求。

熱分析法是一種基于聚合物結(jié)構在500 ℃以上的溫度下進行分解的技術，通過對熱分解氣體進行表征，獲得微塑料化學成分信息。Py-GC-MS、TGA-DSC等方法可在測定質(zhì)量濃度的同時對微塑料組成成分進行鑒定，但該方法具有破壞性，且結(jié)果易受表面無機污染物影響。

綜上，各分析方法間呈現(xiàn)互補性，現(xiàn)階段仍推薦使用micro-FTIR與Raman spectra對微塑料進行成分鑒定。水環(huán)境中微塑料樣品分析推薦流程如圖1所示。

圖1 水環(huán)境中微塑料樣品推薦分析方法

3 結(jié)論

(1)不合適的微塑料采樣方法易丟失微塑料或引入微塑料污染，不同的微塑料提取方法會對微塑料造成不同程度的不可逆損傷。使用大樣品法采集水體中的微塑料能夠更好地保留水體中的粒徑分布；在提取水體中微塑料的過程中，推薦根據(jù)水樣水質(zhì)和微塑料濃度選擇使用篩分過濾、消解凈化和浮選的預處理方法，并優(yōu)化調(diào)整以滿足不同分析儀器的要求。但在分析過程中，仍需制定統(tǒng)一的微塑料的粒徑劃分標準，并建立與粒徑相關的濃度單位，實現(xiàn)全球各地的微塑料濃度的可比性。

(2)微塑料的定量分析中人工計數(shù)誤差大；Py-GC-MS準確度高，但表述單位不統(tǒng)一；基于FPA的ATR-micro-FTIR能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域掃描計數(shù)，快速、準確獲取微塑料豐度，是微塑料定量分析的理想手段。定性分析中推薦使用電子顯微鏡、micro-FTIR及Raman spectra法。電子顯微鏡可直觀地獲得樣品顆粒物理特征，進行初判；micro-FTIR所受干擾因素少，譜圖質(zhì)量良好，Raman spectra法與之互補，檢測更小粒徑的微塑料，對目標微塑料進行進一步鑒定。

(3)目前的分析技術仍停留在對單成分、μm級微塑料鑒定，對多成分、nm級微塑料進行鑒定仍較為困難。nm級微塑料具有較大的比表面積，在水體交互作用中更易攜帶更多的污染物。應發(fā)展nm技術在檢測nm級微塑料上的應用，拓寬檢測粒徑范圍；將形態(tài)學與人工智能算法融合，實現(xiàn)準確、高效的微塑料形態(tài)識別和計數(shù)。