目前海洋微塑料及纳米塑料监测方法的优缺点

2022-01-01国家海洋局三沙海洋环境监测中心站许宇江许宇山

区域治理 2021年52期

国家海洋局三沙海洋环境监测中心站许宇江，许宇山

微塑料和纳米塑料严重威胁了以小颗粒为食物链基础的生物（例如浮游生物），从环境和公共卫生的角度来看，纳米塑料一旦被摄入，就会分布在不同的组织和器官中，这些纳米颗粒还能够穿过血脑屏障，对整个生物链影响恶劣。本文综述纳米塑料和微塑料的监测技术，分析相关技术的优缺点，为海洋监测工作者提供一定指导。

一、微塑料和纳米塑料的定义

目前，业界将尺寸＜5毫米的塑料颗粒定义为微塑料，然而对于纳米塑料，尺寸定义仍然是一个有争议的话题。纳米塑料被定义为至少有一个维度小于100nm的颗粒，但颗粒大小必须小于1µm。但也有建议将纳米塑料分类为小于20nm的塑料颗粒，这个角度是基于这个尺寸的纳米塑料和ENM对水生生物构成的危害更大。总之，鉴于微塑料和纳米塑料对生物的影响巨大，从而引起科研工作者的广泛关注。

二、微塑料和纳米塑料的监测技术

（一）微塑料和纳米塑料的识别和分类

分离出的微塑料和纳米塑料通过肉眼或借助显微镜可以用于低至500µm的塑料监测。但仅仅通过目测的方式很难直接将塑料进行分类，进一步结合其他方法（如光谱分析），可以更加直观和准确地观测这些污染物。目前已有一些标准化流程出现，这样可以尽可能减少监测者的主观性和人为错误。

（二）热降解-质谱技术

热降解技术，例如热解（pyr）或热萃取和解吸（TED），与气相色谱联用质谱（GC/MS）相结合，通过破坏后获得一系列小分子化合物，然后通过质谱技术可以获得热解后产物的具体信息，从而获得聚合物类型的实际信息。Pyr-GC/MS和TED-GC/MS 所需的样品量少（5-200µg），也不需要预处理和单独分选。在PE、PP、PS和PA海洋微塑料中存在邻苯二甲酸二乙基己酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、苯甲醛、邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二甲酯等在热降解-质谱技术中都可以直接获得信息，可以同时识别与聚合物相关的有机物，可以直接获得信息。从另外一个角度来说，热降解技术不用关注分析样品的物理特征，包括数量、颜色和尺寸，只需要样品的质量达到所需量就行。pyr-GC/MS仅限于少量样品的监测，大量样品检查时具有一定的局限性，因此pyr-GC/MS不适合高通量测试。虽然TED-GC/MS可以避免这些限制，可以允许使用更高的样品质量（比pyr-GC/MS高200倍）和相对较快的分析和质量定量时间，对于常见的聚合物类型PE、PP、PS、PA和PET具有很好的效果，但他的缺点是分离材料的粒子量化和形态表征严重限制该方法的使用，该方法仅针对上述最常见类型的聚合物，对其他类型的聚合物（PVC、PUR或PC等）很难进行鉴定。

（三）拉曼光谱

拉曼光谱是一种无损光谱技术，可以观察系统中的低频模式，例如旋转和振动相互作用。这种技术简单明了，可提供塑料的指纹结构，已成功应用于识别不同环境基质中的微塑料颗粒。

由于不同聚合物的拉曼光谱特征存在明显区别，这种方法可以在几分钟内识别出塑料颗粒。拉曼光谱可以很容易地分析出目视可分选的塑料颗粒，进一步结合显微镜（拉曼显微镜），可以进一步成功识别小于1μm的塑料颗粒。将拉曼显微镜与拉曼光谱成像等技术相结合，可以获得具有化学空间分布的图像，并且理论上可以对整个膜过滤器进行高空间分辨（小于1µm）。这种结合技术可以简化对较小颗粒的检测和识别，但目前其对微塑料和纳米塑料研究的适用性还有待商榷。

拉曼光谱与共聚焦显微镜技术相结合可以以亚细胞精度检测识别细胞和组织中的塑料颗粒。结合原子力显微镜（AFM），在接触和非接触模式下操作AFM，拉曼还可以识别纳米塑料。然而，这种技术相对操作困难且费时，因为在单个纳米级粒子中找到和聚焦需要一定的技术和时间。此外，样品本身具有荧光或者可以在激光下产生荧光，即含有有色的颜料、添加剂或生物质的样品会产生无法解释的拉曼光谱。

（四）红外光谱

红外光谱，即傅立叶变换红外光谱（FTIR），可以根据聚合物的红外光谱准确识别聚合物。拉曼光谱和FTIR光谱可以视为互补技术，因为红外非活性的分子振动是拉曼活性的，反之亦然。简而言之，拉曼光谱依赖于光散射和红外吸收。与拉曼光谱一样，塑料生成的IR光谱具有高度特异性，表现出不同的谱带模式。此外，FTIR光谱还可以提供塑料样品风化有关的补充信息，进而可以有效地根据氧化强度估计降解程度甚至生物降解程度。例如，可以通过测定羰基指数来实现上述监测，因为羰基的形成与多少与PE的氧化程度有关。借助FTIR光谱的衰减全反射（FTIR-ATR）可以轻松分析较大的塑料颗粒。

红外光谱的测试时间较短，大多数样品可能在不到一分钟的时间内被明确识别。在实用性方面，相对较少的样品，例如小于100个颗粒，可直接选择FTIR-ATR分析，相反，对于大于100个颗粒的样本，建议应将大于50%的样本即总共至少有100个粒子进行FTIR-ATR分析。通过将显微成像与FTIR耦合，可以以高空间分辨率收集IR信号，因为光束尺寸可能小至5µm，从而对成分复杂的样品进行详细表征。此外，基于焦平面阵列（FPA）的µFTIR能够对样品的总颗粒进行高通量分析，操作偏差或错误明显减少，这可以显著减少成像时间，但生成的光谱数量和存储容量较大，需要过多且昂贵的硬件。

（五）高光谱成像技术

最近有发现高光谱成像技术可以识别和表征含有单分散和多分散球形和非球形聚合物颗粒的悬浮液。对于对照样品和真实样品，低至300µm的颗粒使用该方法可以获得100%和84%塑料类别识别，这种技术是一种非破坏性、非侵入性、廉价、快速和可靠的技术。高光谱成像也可以用于识别复杂基质中的微塑料（例如土壤钟），直接基于400nm到1000nm的波长范围对所收集的采样土壤进行成像。当采用支持向量机（SVM）算法来识别聚合物时，该技术可以以84%的精度识别尺寸范围为1-5毫米的PE颗粒，虽然这种也可以识别较小的塑料颗粒（0.5-1毫米），但精度大约在77%左右。这种方法只能直接应用于测定土壤表面的微塑料，无法量化和识别样品表面下方的任何颗粒。然而，高光谱成像可获得PE、PP和PS的初步信息，如果要考虑所有塑料聚合物类型则需要进一步进行详细的监测。

（六）C:H:N分析仪

基于不同的聚合物具有独特的元素组成，因此可以使用C:H:N分析仪来识别塑料颗粒。但要精确鉴别这些塑料的类型，前期需要根据密度不同分离收集到的不同密度的塑料颗粒，从而可以更加准确地获得潜在聚合物的类型。这种方法不能进行严格的化学分析并且需要大量时间，因此这种技术不适合高通量分析。此外，这种技术不适用于较小的塑料颗粒，虽然C:H:N分析仪可以揭示氮的存在和含量，也可以获得微生物的相关信息，但氮不是合成聚合物的组成部分。

（七）分光光度计法

目前也报道了一些使用分光光度计法对微塑料进行量化的工作。分光光度计法与紫外-可见分光光度法类似，需要使用标准的胶体悬浮液获得标准曲线，通过获得真实样品的荧光测量值，进而基于标准曲线获得悬浮颗粒的相应浓度。但荧光光谱法不适合作为测定环境样品中微塑料的定量分析工具，因为它对很多影响因素（如pH值或溶解氧的存在）高度敏感，这些因素可能会严重影响数据的准确性和重现性。

（八）其他技术

纳米塑料的分析、鉴定和量化仍然是一个具有挑战性的课题，仅对这些颗粒进行形态学表征是不够的，而且还需要在纳米尺度上进行详细的化学分析。目前仍然没有用于检测和量化真实环境样品中纳米塑料的标准化协议，也没有识别和表征环境中小于100nm塑料的具体技术，因为这些与天然存在的纳米粒子具有类似的性质。因此，必须开发新方法来准确测定环境样品中的塑料颗粒。

电子显微镜与能量色散X射线光谱（SEM-EDS或SEM-EDS）相结合是目前使用最广泛的表面分析技术，可以实现优于 50pm（5.0×10-5µm）的空间分辨率。除了产生低能量的二次电子外，电子轰击样品还会形成背散射电子和X射线。这些背散射电子的强度可以与采样区域/体积中特定元素的原子序数相关联，从而可以获得一定程度的定性信息。然而，这种技术有明显具有一定的局限性。电子显微镜的购买和维护成本很高，有些需要非常稳定的建筑物（通常是地下，有微小的震动也会影响监测效果）和特殊条件（例如磁场消除）。此外，尽管分辨率明显得到提高，也可以进行非常详细的观察，但样品制备和分析的周期冗长，这些缺点明显影响了电子显微镜的使用，大范围使用电子显微镜对微塑料和纳米塑料进行监测工作。

最近报道了一种用于检测水生和复杂基质（例如食品）中纳米塑料的不对称流场-流动分馏与多角度光散射耦合技术（AF4-MLS）。分馏步骤（AF4）可以分离各种聚合物，而MALS技术可以获得尺信息。同样，这种方法仍然存在一些局限性，包括回收率低（50nm塑料颗粒的回收率约为50%）和光散射背景高，这些限制了其检测性能。此外，包括pH值和缓冲液的浓度都会影响该方法的性能。

三、结论

在过去几年，塑料污染及其相关危害已经引起了大家的广泛关注，环境中的微塑料和纳米塑料监测仍然面临巨大挑战。本文对目前已报道的相关监测技术进行综述，并对相关技术的优点和缺点进行阐述。目前的监测技术还存在一定的局限性，还需要研究新的分析方法，以识别、表征和量化环境基质中的微塑料和纳米塑料以及这些材料的详细毒性和毒代动力学。