孫彥敏,高惠敏,徐春祥,顏春榮 (江蘇省食品藥品監(jiān)督檢驗研究院,江蘇 南京 210008)

微塑料被定義為粒徑小于5 mm的塑料碎片、薄膜或者顆粒,而粒徑為1～100 nm的微塑料則被稱為納米級微塑料。2004年,湯普森等首次提出“微塑料”的概念,發(fā)現(xiàn)微塑料在東北大西洋海域底泥、海水及海洋動物體內(nèi)廣泛存在,并指出對微塑料環(huán)境影響進(jìn)行關(guān)注的必要性[1]。2016年,微塑料被聯(lián)合國環(huán)境大會列為全球性重大環(huán)境問題之一[2]。根據(jù)材質(zhì)劃分,目前環(huán)境中檢出的微塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等[3]。根據(jù)微塑料來源可以將其劃分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料主要指人們生產(chǎn)生活中直接排入環(huán)境中的微塑料顆粒;次生微塑料是指塑料垃圾在經(jīng)物理、化學(xué)及微生物作用后發(fā)生分解而生成的微塑料顆粒。

與普通塑料相比,微塑料顆粒會造成土壤、水體、大氣環(huán)境和食物鏈的污染,提高環(huán)境污染治理的成本和難度。微塑料由于具有較大的比表面積和親脂性,易在環(huán)境中富集重金屬和有機(jī)物。CHOUCHENE等[4]研究發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料數(shù)量可達(dá)50～880個·kg-1,且成為土壤中重金屬的重要載體。微塑料能夠吸附三氯生等污染物,降低其生物可利用性[5]。地下水中微塑料豐度與地面人類工業(yè)活動具有相關(guān)性[6]。在水環(huán)境中,微塑料不僅為微生物提供良好載體,還增強(qiáng)對病原微生物的輸送能力[7],促進(jìn)抗性基因的水平轉(zhuǎn)移[8]。研究者已在多種環(huán)境介質(zhì)如農(nóng)田土壤[4]、深海沉積物[9]、生物體[10]以及工業(yè)產(chǎn)品食鹽[11]、瓶裝水[12-13]中檢測到微塑料。在多種魚類腸道和消化腺[14]、雙殼類動物軟組織[15-18]、甲殼類動物腸道[19-20]、無脊椎動物海參的消化道[21]等海產(chǎn)品組織以及農(nóng)作物中[22]都檢出微塑料,這意味著微塑料可以進(jìn)入生物體組織內(nèi)部[23]。雖然微塑料的環(huán)境危害性尚不確定,但其廣泛存在所帶來的健康風(fēng)險須引起足夠重視。

高效、準(zhǔn)確的微塑料檢測方法,對于監(jiān)測環(huán)境中微塑料的數(shù)量、分布和種類,進(jìn)而采取措施降低其污染具有重要價值。HERMSEN等[24]對2010—2017年間發(fā)表的35篇關(guān)于微塑料攝取的研究論文進(jìn)行賦分制比較,提出海洋生物樣本中微塑料的檢測方法應(yīng)包括取樣方案、樣品大小、樣品處理和儲存、預(yù)處理、環(huán)境條件、陰性對照、陽性對照、目標(biāo)物組成、前處理和鑒定10個要素,才能獲得可靠的、具有比較價值的數(shù)據(jù)。但是目前環(huán)境中微塑料標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化的檢測方法仍然處于缺位狀態(tài),不利于開展進(jìn)一步的研究性工作。筆者對近年來環(huán)境中微塑料分析研究成果進(jìn)行綜述,以期為微塑料的檢測技術(shù)研究提供更多的思路與方向。

1 樣品前處理方法

1.1 消解

環(huán)境中的微塑料常與基質(zhì)黏附在一起或被包裹在生物體內(nèi),需要對生物組織進(jìn)行消解,使其充分游離出來。根據(jù)所用到的消解液不同,可分為堿消解[25-26](KOH、NaOH等)、氧化消解(H2O2、NaClO等)、酸消解(HCl、HNO3、HClO4等)、酶消解(蛋白酶K[27]、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、膠原蛋白酶等)以及混合消解等。表1[28-33]顯示,這些消解方法各有利弊,適用于不同樣本的前處理。

1.1.1化學(xué)消解法

化學(xué)消解法是目前提取生物組織內(nèi)微塑料的重要方法。國外學(xué)者系統(tǒng)比較了采用不同方法從海產(chǎn)品中提取15種類型微塑料的效果和提取效率,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=10% KOH在60 ℃條件下提取24 h可以得到比較理想的結(jié)果[28]。國內(nèi)學(xué)者研究了從水生生物中提取微塑料的方法,根據(jù)不同消解試劑對微塑料熒光強(qiáng)度和表面形態(tài)的影響程度,評價了其對熒光聚苯乙烯微球提取的影響[29],發(fā)現(xiàn)100 g·L-1KOH溶液在60 ℃條件下處理72 h是最佳提取條件,其消解對熒光聚苯乙烯微球的熒光強(qiáng)度影響最小,消解后的微球分布均勻,沒有明顯表面損傷、團(tuán)聚等現(xiàn)象。

對于從土壤這類復(fù)雜基質(zhì)中提取微塑料,可利用15 mL HCl+5 mL HNO3+3 mL HF的酸體系將0.1 g土壤完全消解并從中提取微塑料。經(jīng)過消解處理后的6種微塑料顆粒都呈現(xiàn)一定程度的破壞,但其特征峰仍然存在,不影響對微塑料的識別[30]。熊安琪等[31]研究了從食品材料(磨碎面餅、醬料包、蔬菜包和鹽包)中提取微塑料的技術(shù)方案。采用消化率、膜堵塞率、對塑料形態(tài)的影響和回收率等指標(biāo),比較了氧化劑法(w=30% H2O2)、堿消解法(w=10% KOH)、芬頓法(w=0.2% FeSO4與w=30% H2O2體積比為1∶1)、硝酸-過氧化氫法(w=32.5% HNO3與w=30% H2O2體積比為4∶1)和酸消解法(w=65% HNO3)的提取效果。結(jié)果表明芬頓法對食品樣品消解效果最好,該消解處理方法對塑料顆粒的質(zhì)量和顏色影響較小。

1.1.2酶消解法

酶消解法可用于小型生物或機(jī)體組織中微塑料的提取,采用商業(yè)化蛋白酶Corolase可以實現(xiàn)對貽貝組織的完全分解和微塑料的高效提取[32]。酶法消解受到生物組織特性的影響較大,但其條件溫和,不會破壞微塑料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。酶法消解也可以與化學(xué)消解相結(jié)合,提高消解效率。李其沛[33]在對大型海藻中微塑料污染特征的研究中,采用纖維素酶消化藻類細(xì)胞壁,再添加堿性蛋白酶降解蛋白質(zhì),最后加入w=30% H2O2完成消解,消解后使用飽和氯化鈉浮選塑料顆粒?；诖讼夥椒ü灿^察到424個疑似塑料顆粒物,其中,通過儀器檢測確定232個塑料顆粒,總體驗證率是非消解法的2.7倍。

實際應(yīng)用中由于樣本基質(zhì)復(fù)雜,消化試劑的類型與濃度需要根據(jù)消化樣品特性進(jìn)行選擇[32]。如H2O2對塑料的腐蝕性小,能氧化褪色,但消化過程中易產(chǎn)生大量泡沫,帶走部分微塑料,從而影響消化效果,使回收率降低[33]。HNO3有較強(qiáng)的腐蝕性和氧化性,能有效消解樣品中有機(jī)質(zhì),但對脂類物質(zhì)消解效果不好,消解后殘留大量黃色脂肪顆粒,影響后續(xù)檢測。KOH對有機(jī)質(zhì)的腐蝕作用比HNO3小,但消解時間長[34]。芬頓試劑能有效去除樣品中的有機(jī)質(zhì)(甲殼素、木質(zhì)素等),尤其對于H2O2難以消解的短足類動物甲殼消解效果較好,同時又避免了酸堿試劑容易對聚合物本身帶來損傷的弊端[35]。因此,需要根據(jù)基質(zhì)和目標(biāo)物特點建立最適合的消解方法。

1.2 微塑料分離方法

1.2.1目視挑選法

目視挑選法[14,36]又稱直接觀察法,即通過肉眼直接對待測樣本進(jìn)行觀察或者運(yùn)用顯微鏡等放大工具觀察生物組織中的微塑料,通過其大小、形狀、外觀及顏色等物理特征,實現(xiàn)微塑料與組織樣本的分離,再對分離得到的微塑料根據(jù)其形態(tài)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分類。但實際操作中,由于樣本和微塑料類型復(fù)雜多樣,甚至微塑料與其他碎片混合或被沉淀物顆粒覆蓋,僅憑肉眼和顯微鏡難以完全挑出和準(zhǔn)確識別出目標(biāo)微塑料,甚至在有些情況下目視挑選的顆粒中僅1.4%是微塑料顆粒[37]。

1.2.2高密度溶液浮選法

密度分離法是利用沉積物樣品中目標(biāo)組分與雜質(zhì)的密度差異實現(xiàn)輕組分微塑料與重組分雜質(zhì)的分離,即如果消解后的溶液中含有未消解的高密度顆粒(如沙子、骨頭、幾丁質(zhì)等),可用飽和氯化鈉(NaCl)溶液進(jìn)行分離[38]。但飽和NaCl溶液不能使高聚物完全脫離沉積物,在分離聚氯乙烯等高密度微塑料時會導(dǎo)致分析結(jié)果嚴(yán)重偏小。選用密度更大的碘化鈉(NaI)溶液和(或)氯化鋅(ZnCl2)溶液可提高對高密度組分的提取效率[38-39],但同時也帶來了分析成本高的問題。研究人員又提出兩步分選法,流化預(yù)提取既減少了對樣品的需求量,同時也解決了大量使用NaI的成本難題[40]。章海波等[41]進(jìn)一步建立了微塑料自動分離裝置,包括浮選液存儲部分、溢流部分和篩分回收部分,此裝置通過浮選液和溢流液連續(xù)流動來完成,不需人為干預(yù),最后在振動篩中收集篩分好的樣品即可。

1.2.3過濾法

與密度分離法相比,微塑料在消解后經(jīng)濾膜過濾法可有效節(jié)約時間并提高分離效率,尤其是消解后直接進(jìn)行熱過濾,可避免基質(zhì)中的油脂冷凝,減少樣品堵塞濾孔的情況。基質(zhì)的不同對濾膜的選擇也不同,目前常用的過濾膜有玻璃纖維濾膜(2.7 μm)[31]、醋酸纖維素濾膜[42]、硝酸纖維素濾膜[43]、混合纖維素濾膜(MCE,3 μm)[44]、聚四氟乙烯濾膜(PTFE,3 μm)[44]等。李珊等[45]從孔徑、價格、使用感受等方面比較6種濾膜性能,并通過純水加標(biāo)試驗分析6種濾膜對PVC微粒的平均截留率和平均洗脫率等數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)不銹鋼濾膜可用于飲用水中微塑料檢測過濾過程。除此之外,還有氧化鋁膜或者添加金屬鍍層的濾膜,具有表面平整、不易變形彎曲且無紅外光譜和拉曼光譜干擾的優(yōu)點[44],可用于紅外光譜和拉曼光譜測定,但成本昂貴,用于日常檢測具有一定的局限性。

2 微塑料檢測方法

目前,微塑料檢測技術(shù)以紅外光譜和拉曼光譜法為主,目視檢測法和熱分析技術(shù)具有一定的局限性,不同分析技術(shù)的優(yōu)缺點和適用的檢測對象見表2[27,46-52]。

表2 微塑料檢測技術(shù)比較[27,46-52]Table 2 Comparison of detection methods for microplastics

2.1 熱探針檢測法

有研究提出用灼熱的探針接觸樣品,基于微塑料與樣品熔點不同所以受熱后形變不同的原理,可利用“熱探針法”來判斷樣品成分[46-47],但該方法不適用于熱固性和尺寸很小的微塑料,只能作為輔助檢測手段。

2.2 紅外光譜法

紅外光譜法是目前最常用的微塑料檢測手段之一[53]。該方法利用微塑料粒子具有獨特的紅外光譜而能反映粒子特定的化學(xué)鍵信息的特點,將樣品的特定紅外光譜與已有的光譜庫中物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行匹配,從而確定微塑料類別,將塑料與其他有機(jī)和無機(jī)粒子區(qū)分開來。紅外光譜法不僅可用于識別微塑料,還能鑒別特定的聚合物類型,可以為樣品的來源及輸入途徑提供有效線索。紅外光譜分析不會改變樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu),不會破壞樣本,是一種無損的分析方法。

紅外顯微技術(shù)將紅外光譜儀與顯微鏡結(jié)合,在無需復(fù)雜樣品準(zhǔn)備的情況下,可在單個平臺上通過物鏡和紅外探測器之間的切換,實現(xiàn)同步可視化、樣品成像以及光譜獲取。紅外顯微技術(shù)可避免傳統(tǒng)紅外光譜分析中出現(xiàn)的外來污染物,節(jié)省分析時間,無需提前對微塑料粒子進(jìn)行人工分類,也可避免少量小粒徑微塑料的遺漏問題。紅外顯微主要有透射、反射和衰減全反射(attenuated total reflection,ATR)3種模式,可根據(jù)樣品的形狀、厚度、粒子數(shù)目選擇不同測量模式。ATR模式通過ATR晶體直接與濾膜接觸,采集接觸面上的物質(zhì)信息,對檢測基底、樣品厚度和透光性的要求較低,所能檢測的物質(zhì)粒徑更小,因此,該模式在實際中應(yīng)用較廣泛。研究顯示,傳統(tǒng)的紅外分析可識別粒徑大于500 μm的微粒,紅外顯微分析法適用于粒徑大于20 μm的微粒[48]。李珊等[54]建立了采用紅外顯微光譜法測定生活飲用水中微塑料的方法,前處理簡單,操作方便,回收率為73.1%～92.0%。柴然等[55]利用激光紅外成像技術(shù)對32份不同類型水源樣品中微塑料的種類、數(shù)量和粒徑進(jìn)行分析,在其中25份中檢出8個種類微塑料;LI等[56]采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測定方法證明地膜覆蓋不同時間后土壤中微塑料種類主要是PE,且PE微粒發(fā)生了氧化和降解。

2.3 拉曼光譜法

拉曼光譜法也是目前常用的微塑料檢測方法之一[57-58],其原理是當(dāng)激光束落在某個物體上時,由于分子和原子結(jié)構(gòu)不同,產(chǎn)生不同頻率的散射光,從而使得每一種聚合物產(chǎn)生特異性光譜。與紅外光譜分析類似,拉曼光譜也可通過與光譜庫比較來識別微塑料,鑒定微粒的聚合物成分。顯微拉曼技術(shù)是將顯微鏡與拉曼光譜儀相結(jié)合,該技術(shù)可用于分析不透明和黑色的微塑料顆粒。LENZ等[59]最早將拉曼光譜技術(shù)用于海洋環(huán)境微塑料的可視化鑒別,PRATA等[60]運(yùn)用顯微拉曼技術(shù)成功識別出白葡萄酒中的微塑料顆粒。

與紅外光譜不同的是,拉曼光譜使用單色激光源,其激光束可用于檢測更小粒徑的微塑料,是目前唯一能用于有效分析粒徑低至1 μm微塑料的技術(shù)[49]。自動化顯微拉曼技術(shù)能對大量樣品進(jìn)行快速分析,但部分有機(jī)或者無機(jī)顆粒會對微塑料的分析造成干擾,因此,顯微拉曼技術(shù)對樣品的前處理要求較高。樣品表面存在的生物膜可能會導(dǎo)致熒光效應(yīng),添加劑和污染物產(chǎn)生的拉曼光譜與微塑料的光譜重疊,也會干擾微塑料的識別。顯微拉曼技術(shù)對粒徑為5～10 μm的粒子識別能力最高,可能會低估樣品中微塑料豐度。目前出現(xiàn)的表面增強(qiáng)拉曼光譜,克服了常規(guī)拉曼光譜檢測靈敏度低及共振拉曼光譜易受熒光干擾的缺陷,可用于分析粒徑在1～100 nm之間的低濃度納米微塑料[50],極大地提高了拉曼光譜的檢測靈敏度。

2.4 熱分析技術(shù)

熱分析技術(shù)是在溫度控制下研究聚合物物理化學(xué)性質(zhì)變化的光譜分析替代方案。目前,國內(nèi)外檢測微塑料的熱分析方法包括差示掃描量熱法(DSC)、熱重量分析結(jié)合差示掃描量熱法(TGA-DSC)及熱分解氣相色譜質(zhì)譜(Pyr-GC-MS)等,大多是不同儀器裝置的聯(lián)合使用。

DSC是研究聚合物材料熱效能、相變溫度和結(jié)晶度等參數(shù)的有效方法,聚合物由固態(tài)向液態(tài)或氣態(tài)轉(zhuǎn)變時會吸收大量熱量,在特定溫度下產(chǎn)生吸熱峰值,DSC主要用于初級微塑料的檢測,如聚乙烯等。TGA是利用熱天平測量物質(zhì)溫度和質(zhì)量變化關(guān)系的方法,待測樣品在加熱過程中會產(chǎn)生分解、升華氣化現(xiàn)象使得質(zhì)量發(fā)生變化,通過熱重曲線分析其不同溫度下的質(zhì)量變化。在應(yīng)用TGA-DSC對聚合物相變溫度進(jìn)行測定時發(fā)現(xiàn)只有聚乙烯和聚丙烯能被清晰識別,其他幾種聚合物相變信號存在較大程度重疊,從而使得該方法在微塑料分析上的應(yīng)用受到一定限制[51]。

Pyr-GC-MS原理是將微塑料樣品加熱處理后其會裂解為可揮發(fā)的小分子,通過GC-MS對微塑料的降解產(chǎn)物進(jìn)行分析進(jìn)而判斷微塑料的化學(xué)組成,將樣品譜圖與已知聚合物譜圖進(jìn)行比對得到聚合物組成。整個過程不需添加溶劑,避免了背景污染。但該方法目前最大的應(yīng)用難點在于缺乏微塑料專用的熱裂解器,同時整個分析過程程序復(fù)雜,譜圖解析對研究人員的要求較高。張向楠[61]研制開發(fā)了一款便攜式Pyr-MS裝置,為微塑料的檢測分析提供了新的工具。余建平[62]建立了基于TGA-FTIR-GC/MS聯(lián)機(jī)技術(shù)測定環(huán)境中微塑料的定量分析方法,根據(jù)不同種類微塑料熱解產(chǎn)物的特異性和豐度,確定該方法的指示劑。該方法可以與顯微紅外光譜法和顯微拉曼光譜法互補(bǔ),在微塑料檢測領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

2.5 液相色譜-質(zhì)譜法

塑料作為一類通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物,由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)固劑、潤滑劑、色料等添加劑組成。通過對解聚后單體成分的測定,可對微塑料性質(zhì)進(jìn)行評價。WANG等[52]在氫氧化鉀和戊醇體系中通過加熱將聚碳酸酯(PC)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)化學(xué)解聚為各自的功能單體雙酚A 和對苯二甲酸,經(jīng)高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測,建立了PC和PET微塑料液相色譜-質(zhì)譜定量檢測方法,最終回溯出微塑料的質(zhì)量。但是,液相色譜-質(zhì)譜法只適用于解聚后單體明確可測的聚合物,不適用于單體復(fù)雜、聚合度多變的塑料品種。

2.6 熒光測定法

微塑料熒光標(biāo)記法在研究生物體內(nèi)微塑料的原位分布及攝入規(guī)律中具有重要作用。結(jié)合熒光顯微鏡還可以對生物體內(nèi)微塑料進(jìn)行定量分析。田莉莉等[27]對比了熒光法和C-14同位素示蹤法的檢測限、靈敏度和定性定量等方面差異。熒光法可以直觀觀察,在研究生物體內(nèi)微塑料分布和高濃度暴露時有一定優(yōu)勢,但檢測靈敏度不如C-14同位素示蹤法,不適用于復(fù)雜介質(zhì)中低濃度微塑料的定量檢測。

利用羅丹明B[63]等具有疏水性的熒光染色劑對微塑料進(jìn)行染色,可以在熒光顯微鏡下用特定光束照射,通過圖像分析對熒光粒子進(jìn)行識別和計數(shù)。LUO等[64]通過溶脹法將稀土配合物摻雜到200 nm聚苯乙烯微球(PS-Eu)內(nèi)部,利用稀土配合物的時間分辨熒光特性實現(xiàn)對植物(小麥和生菜)中吸收積累的PS-Eu顆粒的準(zhǔn)確可視化追蹤。該方法克服了微塑料傳統(tǒng)熒光標(biāo)記方法存在的背景熒光干擾、染料易泄露、難以同時進(jìn)行精確定量等缺點,為微塑料在復(fù)雜生物介質(zhì)中積累、傳輸和分布提供了一種嶄新、簡便、通用的研究方法。

3 展望

微塑料污染已引起全球越來越多的關(guān)注。研究人員圍繞微塑料的種類、分布、遷移和檢測等做了大量工作。微塑料檢測技術(shù)作為研究和評價的重要手段,尚缺少成熟、統(tǒng)一的方法,建議微塑料檢測技術(shù)研究還應(yīng)從以下方面進(jìn)行加強(qiáng)和完善:

(1)建立快速高效、操作方便的微塑料檢測方法。環(huán)境中的微塑料樣品批量通常較大,步驟復(fù)雜的方法會給檢測工作帶來很多局限性。針對野外環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查狀況,可以建立快檢方法進(jìn)行實時準(zhǔn)確定性檢驗。

(2)建立微塑料檢測方法標(biāo)準(zhǔn)。從取樣方案、樣品前處理方法、定性檢測、定量檢測和檢測結(jié)果評價體系等方面進(jìn)行研究,建立具有廣泛適用性的標(biāo)準(zhǔn)方法,為環(huán)境管理和科學(xué)研究提供具有比較價值的數(shù)據(jù)。