水环境中微塑料检测实验室建设研究

孙 铭，王 嘉

（1. 江西省生态环境科学研究与规划院，江西 南昌，330039；2. 江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引言

2020 年在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出“重视新污染物治理”[1]。微塑料是一种新污染物，指粒径小于5mm 的塑料碎片、颗粒或者薄膜，主要由塑料制品排入水环境或塑料垃圾经过分解产生[2，3]。

微塑料污染的环境与健康风险防控已在世界范围内广泛开展，各国尤其是发达国家逐渐建立了微塑料调查与监测制度，开展了监测与评估，构建了监测数据平台[4]，微塑料领域科研工作的首要工作就是检测数据的获取，有大量的论文对环境中微塑料检测技术进行了归纳与总结。但是，水环境中微塑料的研究不仅涉及检测，还包括采集、前处理、检测、质量控制等流程，建设一个规范化全流程的微塑料检测实验室是落实检测技术的不可或缺的硬件条件。本文根据微塑料样品采集、前处理、检测、质量控制等多个环节提出相对应的检测设备和这些核心设备的安装关键条件，为微塑料检测实验室的规范化建设提供参考。

目前国内外没有统一微塑料标准检测方法，除我国辽宁省出台了“DB21/T 2751-2017 海水中微塑料的测定傅立叶变换显微红外光谱法”，适用于海水中微塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯等七类物资）的识别和测定外，各检测方法暂时均停留在实验室科研阶段，但是各发达国家正大力推动标准化的分析解决方案、方法和实践。当前微塑料检测方法主要有目视观察法、显微拉曼光谱法、电子扫描显微镜法、傅里叶变换红外光谱法、热裂解—气质联用法以及激光直接红外光谱检测法等，这些方法的检测效率、分辨率、浓度（丰度结果）、颗粒计数/粒径分布的计算方式、微塑料中添加剂检测能力、核心设备费用等的对比情况详见表1。

表1 不同的微塑料检测方法对比

1 微塑料水样采集工具

水环境中微塑料的采样是进行微塑料检测的第一步，实验室应合理配备齐全的涉及微塑料科研样品的收集装置。

1.1 采样器的选择

水环境中微塑料污染的研究，主要的采样工作为采集水生生物类和直接采集水样。

采集水生生物类时，主要分为采集浮游生物和常规鱼类。水环境中的微塑料常通过粘附、包裹在生物体内，需要通过浓缩样本法采集水体中的浮游生物，常用的有蝠鲼网、浮游生物网[5]；而采集鱼类等大型水生生物，准备好常规的渔网即可。

直接采集水样时，我们常用的水质采样器的材料有有机玻璃和不锈钢两种。为避免塑料的干扰，应采用不锈钢材料的水质采样器。常规的水质采样器易于收集样品，样品大小齐全，可用于收集样品量较小的水样。对于采集空间分布是高度可变的、大体积的水样，需配备移动式水泵，采集样品过程中要避免汽油泄漏或电池漏液等对水体造成污染[6]。

1.2 采样的安全保障措施

水环境采集过程中，需穿救生衣、浮力气囊等救生装置，防止人员落水。在存在血吸虫的水域，如江西的鄱阳湖水域，应严格佩戴橡胶水套，避免水样与人体直接接触。

综上所述，微塑料实验室需一个采样设备间，储备浮游生物网、蝠鲼网、不锈钢材料的水质采样器、移动式抽水泵、渔网、救生衣、浮力气囊等若干套作为采样设备。

2 样品的前处理

2.1 样品的消解

为使微塑料从生物组织中充分游离出来，需要根据样本种类和科研目的的不同选择强碱、强酸、氧化或酶消解[7]。其中常用到的消解试剂有KOH、NaOH、HCl、HNO3、HClO4、H2O2、NaClO 或蛋白酶等[8-10]，其中在实验室建设过程中，必须根据《科研建筑设计标准》（JGJ91-2019），设置专用的消解室，消解工作在实验操作过程中，有高温和剧烈的化学反应，要保障好实验人员的安全，配置好足够的应急喷淋措施，以防试验人员被药品污染；建设过程中，必须根据实验室变风量排放柜标准（JG/T 222-2007）配置排风柜，平均面风速度应达到0.5m/s，台面应采用防腐蚀、耐高温的陶瓷台面。因为环氧树脂本身为塑料的一种，会干扰微塑料的检测，因此不能使用常见的环氧树脂台面。

2.2 微塑料的分离

在实际操作过程中，微塑料和水体中的各种颗粒物共存，导致通过显微镜不能准确识别和计算[11]，需要通过过滤法或浮选法进行分离。研究表明，因高聚物较难完全脱离沉积物，会导致微塑料的分析结果严重偏低[12]，当前一般采样用过滤法来进行分离。因此，建议建设水环境微塑料的实验室时，应至少建设两间前处理室：一间用来开展消解工作，配备排风柜设施；一间为开展分离工作的前处理室；两间前处理室距离应尽量短，使微塑料样品前处理工序更便捷，减少中间过程造成的干扰。

3 微塑料检测分析方法及仪器设备的选择

3.1 目视观察法相关仪器设备的选择

目视观察法主要为肉眼目视法及显微镜法。粒径大于等于1mm 的微塑料颗粒可用肉眼快速鉴别和计数，采用适当的染色方法能够提高检出率及准确率[13]。当检测饮用水等水质较高的水时，由于其中的微塑料一般粒径较小，需染色后使用显微镜进行观察和确认，通常用的显微镜为采样体视显微镜，显微镜放大了物体表面的纹理和结构，可用于识别尺寸在100μm 以上的微塑料。有研究表明：利用普通光学显微镜观测微塑料时，出错率大于20%，如果观测样品为透明无色样品，出错率大于70%[14]，主要可能是在大气中存在浮游菌和沉降菌，因沉降菌的粒径较大，容易干扰微塑料颗粒的观察，应减少其对观测的干扰。综合考虑实验室建设的经济适用性，按照《洁净室施工及验收规范》（GB50591-2010）标准进行建设，根据《医药工业洁净厂房设计规范》（GB50457-2008），10000 级洁净室是适用于目视观察实验的。

3.2 显微拉曼光谱法相关仪器设备的选择

拉曼光谱作为常用的表征手段之一，其在微塑料的研究中得到广泛应用。其原理是通过激光束落在物体上，光与材料的振动因能量交换产生不同频率的散射光，从而产生独特的光谱。分析拉曼散射光，从中获得样品的化学和结构方面的信息，并与标准谱库进行检索比对，可识别微塑料的种类，是仅有的可对1～20 μm 微塑料进行高质量无损检测的设备，常用于对微塑料的降解阶段的研究[15-16]。目前出现的表面增强拉曼光谱可用来分析1～100nm 之间的低密度纳米塑料[17]。但当微塑料表面附着生物活性物质、有机物质、无机物质时均会影响其测定效果。因此测定前需对样品进行有效的前处理，须通过稀酸或稀碱来去除微塑料表面的干扰物质。

拉曼光谱仪价格昂贵，对实验室条件较为苛刻，实验室设计布局除须要满足《科学实验室建筑设计规范》（JGJ91-2019）（以下简称《设计规范》）等标准外，挥发性的有机物会对仪器的检测造成干扰，因此该仪器应设置专门房间放置采样光学平台，不能与其他有机物检测设备置于同一个房间。同时，为方便检测弱信号样品，房间应做好遮光防尘措施，并通过在实验室内安装恒温恒湿空调等手段，使室内环境常年维持在24～26℃，相对湿度小于65%。

3.3 电子扫描显微镜法相关仪器设备的选择

电子扫描显微镜（SEM）最小分辨率可达0.1 μm。其原理是利用聚焦高能电子束扫描样品，通过高能电子束与物质间的相互作用，激发物质的物理信息，通过收集信息、处理信息表征物质微观形貌的方法，可使用SEM 对表面形态进行鉴定。有研究表明，小于1 mm 的微塑料可能被遗漏或计数错误。

电子扫描显微镜对实验室的环境有极高的要求，使用扫描电镜时，样品必须是固体、无毒、无放射性，室温保持在15℃至30℃，湿度小于等于70%，实验室的空间磁场应使交流磁场和直流磁场满足安装要求。实验室的位置应远离公路、铁路、地铁、电梯等振动源。

3.4 傅里叶变换红外光谱法相关仪器设备的选择

傅里叶变换红外光谱法是当前国内唯一有地方标准出台的检测方法。可用傅里叶红外变换显微红外光谱仪通过MCT（mercury cadmium telluride）检测器对滤膜上的目标物进行判别，因傅里叶红外光谱仪检测能够提供样品的特定化学键信息，含碳的有机物能够通过这种方式被检测出来；由于不同的化学键能够产生其特有的光谱，从而将其与其它有机和无机物成分分开。再通过查聚合物谱库，判别样品是否为塑料以及该塑料的聚合物类型。该方法既可以定性又可以定量，是一种可对微塑料检测的较为全面研究的仪器。

但是该种仪器对卤代烃或卤化物敏感，MCT 检测器的SnZe 窗口材料对卤化物极其敏感，而常规化学实验室可能会产生这些敏感的气体，因此安装该仪器时应与常规化学实验室隔开，单独设立仪器室，保持仪器室恒温恒湿，环境温度要求能控制在17～27℃范围，环境湿度应严格控制在60%以下，远离水源。仪器室应尽量密闭，设置缓冲间，安装双层玻璃窗。傅里叶变换红外光谱仪常需要和与气相、热重仪等其他仪器联用，所以台面应采用较硬实材料，厚度以确保台面不会因仪器过重被压迫变形为准，以避免影响仪器联用的接口准直，而导致光路的偏离。

3.5 热裂解-气质联用法（Pyr-GC/MS）相关仪器设备的选择

气质联用仪（GC/MS）通常用来定量检测样品中相对应有机物含量，通过热裂解仪（Pyr）联用，使微塑料在严控温度范围内加热，使其裂解为可挥发的小分子，再经过气质联用仪分离和检测，根据裂解产物推断高聚物的组成和结构，鉴别待测物的种类和含量，从而实现检测微塑料的定量检测[18]。但是因解析管尺寸限制，只可以检测小于1mm 的塑料颗粒，操作流程繁琐，耗时较长，现在没有专用的微塑料热解器，并且质谱图解析困难，因此该方法暂未普及和广泛应用，可进一步研究探索[19]。

热裂解-气质联用仪属于较昂贵的精密仪器，仪器室应将温度保持在20～27℃，相对湿度不超过80%。该套设备通常重量很大，需要有实验台长不小于2.5m，宽不小于0.8m，承重不小于120kg。因气质联用仪须要用到高纯氦气，若有化学源（CI），需配备高纯甲烷气，没有集中供气系统的实验室房间应留好气瓶柜的位置，必须配上相应的、分压表大于5kg 的减压阀，并且安装试漏。

3.6 激光直接红外光谱检测法（LDIR）相关仪器设备的选择

激光直接红外光谱检测法是最近出现的一种方法，该方法具有检测速度快，识别能力强的特点，能识别5μm 到100μm 几乎所有种类的微塑料，平均8 秒钟测试一个，是当前微塑料检测最快的方法之一。激光直接红外光谱检测仪属于较昂贵的精密仪器，仪器室应将温度保持在20～30℃，温度变化每小时不超过±1℃，相对湿度维持在50%至80%。该仪器应避免靠近暖气、空调或风扇等易引起空气扰动的设备；同时应注意远离强磁场，距离超导磁体至少5.5m 以上，远离高压电站，大变压器或大功率及高频设备。为避免有机气体腐蚀仪器外壳、内部光学和电子元器件，仪器放置的环境应保证干净、清洁，严格避免腐蚀性、挥发性试剂长时间接触，如浓硫酸、氟利昂、四氯化碳等。

4 质量控制要求

做好微塑料检测实验室的质量控制，建立标准化的微塑料分析测试方法至关重要。当前上海市环境科学学会批准立项了《环境水体中的微塑料的测定傅里叶变换显微红外光谱法》团体标准，中国纺联标准化技术委员会（中国纺联标委函〔2021〕3 号）发布了关于下达21 项团体标准计划项目的通知，其中就包括了《纤维微塑料术语、定义和分类》《纤维微塑料鉴别试验方法》《地表水环境纤维微塑料分析测试方法》，其中，《T/CSTM 00563—2022 景观环境用水中微塑料的测定傅里叶变换显微红外光谱法》已经于2022 年2 月21 日公布，2022 年05 月21 日实施。2021 年4 月13 日，中国水利企业协会发布通知，对《地表水中微塑料的测定（征求意见稿）》征求意见，标准中涉及了显微拉曼成像光谱法、傅立叶变换显微红外光谱法等。

在对微塑料进行检测时，应在整个过程中采取严格的质控措施。首先，应进行实验全过程空白分析，主要措施是将采样前在实验室封装好一样品瓶高纯水带到采样现场。采样时，该瓶高纯水应与采样的样品瓶同步开盖、取水、封装，带回实验室后与待测样品进行相同的操作步骤进行试验，以检测从采集到分析全过程是否污染，每批样品应至少测定一个全过程空白，如果测定结果表明过程有污染且不可忽略，应追溯污染来源并消除。在现场采样中，还可通过重复采样来提高监测数据的可靠性。

检测工程中，应确保检测实验室的规范可靠；实验人员使用乳胶手套和棉质实验服，实验设备使用钢或玻璃设备，实验所用耗材应尽量采取非塑料材料或尽量避免接触塑料设备，检测过程中应减少通风和样品暴露时间，样品暂存时应用铝箔覆盖表面以防止其与空气接触；检测用工具和容器应用离子水仔细清洗。

5 结语

建设规范化的水环境微塑料检测实验室是开展水环境中微塑料科学研究和环境监测的基础。建设水环境微塑料检测实验室主要从建立检测方法、添置采样设备和检测设备、做好质量控制等三个重要方面做好相关工作。

研究单位应配置齐全的采样设备和样品容器，以适应不同的研究需求和采样条件。同时，可以根据现有基础条件以及相关研究方向选择需要的设备，并根据仪器需要的实验室条件进行配套，以微塑料丰度（number/L）研究为主要方向的，根据跟分辨率和检测速度不同选择体视显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、电子扫描显微镜、激光红外成像仪以及激光直接红外光谱检测仪；以微塑料浓度（μg/L）研究为主要方向的，可选择热裂解气质联用仪。

微塑料的研究尚处于起步阶段，目前仅有辽宁省出台了相关检测的标准方法，未来研究人员需思考如何开发出一种或多种可在全国推广的的检测方法以及开发不同浓度的微塑料标准物质。