李 珊，張 嵐，邢方瀟，陳永艷，岳銀玲

(中國(guó)疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，北京 100021)

微塑料是近幾年備受關(guān)注的一種新興污染物，其種類豐富，污染來(lái)源眾多，具有粒徑小、質(zhì)量輕、難降解等特點(diǎn)，可隨空氣、水流、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)及生物活動(dòng)快速遷移擴(kuò)散，從而造成大范圍的環(huán)境污染[1]。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料疏水性表面吸附的持久性有機(jī)物，如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、壬基酚、三氯生等及其內(nèi)部的添加劑，如鄰苯二甲酸酯、多溴聯(lián)苯醚等會(huì)在生物體腸道內(nèi)滲出[2-4]。這些物質(zhì)可隨生物攝食進(jìn)入食物鏈并層層富集，帶來(lái)諸如干擾消化、減少進(jìn)食、引發(fā)組織炎癥、細(xì)胞增殖和壞死、損害免疫細(xì)胞等健康風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。

相關(guān)研究顯示，英國(guó)、德國(guó)、捷克等眾多國(guó)家的地表水、地下水、自來(lái)水及瓶裝水中均有微塑料檢出[7-15]。目前，國(guó)際上尚未建立飲用水中微塑料的標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)方法，相關(guān)文獻(xiàn)中采用的前處理及檢測(cè)方法也不盡相同。本研究根據(jù)飲用水中微塑料數(shù)量少、粒徑小的特征，基于紅外顯微分析技術(shù)探索可用于飲用水中微塑料檢測(cè)的定性定量分析方法，力求操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)間適宜，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確有效。

1 試驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

傅里葉紅外顯微光譜儀(Spotlight-400，美國(guó)PerkinElmer公司)，純水機(jī)(Milli-Q Integral 5，美國(guó)Millipore公司)，隔膜真空泵(GM-0.5 A，天津津騰設(shè)備有限公司)，超聲波清洗器，玻璃抽濾裝置。過(guò)氧化氫溶液(分析純，30%)、無(wú)水乙醇(分析純)、硝酸(分析純)、異丙醇(分析純)；硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜、不銹鋼濾膜、銀膜；聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺/尼龍(Polyamide/Nylon 6)、纖維素(Cellulose)、聚苯乙烯(PS)微塑料標(biāo)準(zhǔn)品。

1.2 方法

目前，水體中常用的微塑料鑒別方法有目視法、電子顯微鏡掃描法、熱分析法、拉曼光譜法和紅外光譜法[16-20]。前期研究[21]已對(duì)各種鑒定方法進(jìn)行了適用性分析，根據(jù)飲用水中微塑料數(shù)量少、粒徑小等特點(diǎn)，紅外光譜法和拉曼光譜法被認(rèn)為是適宜的檢測(cè)技術(shù)。本研究基于紅外顯微光譜技術(shù)開(kāi)展了飲用水中微塑料檢測(cè)方法的研究，對(duì)樣品前處理過(guò)程，如抽濾、消解、洗脫等步驟及顯微紅外光譜儀的儀器參數(shù)進(jìn)行了條件優(yōu)化試驗(yàn)。

1.2.1 抽濾

本研究設(shè)定了2個(gè)抽濾步驟，分別為一級(jí)抽濾和二級(jí)抽濾。一級(jí)抽濾的目的是完成大體積水樣的抽濾過(guò)程，盡可能將水樣中的所有待測(cè)物質(zhì)截留在濾膜上，以方便后續(xù)對(duì)干擾物質(zhì)進(jìn)行消解，同時(shí)減少二級(jí)抽濾的操作難度；二級(jí)抽濾的目的是將小體積洗脫液中的待測(cè)物質(zhì)抽濾至合適的濾膜上，并盡量縮小濾膜的有效抽濾面積，以提高儀器檢測(cè)效率。

1.2.2 消解

預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生活飲用水中普遍存在一類物質(zhì)，其特征吸收峰與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中的蛋白質(zhì)、毛產(chǎn)品及谷物蛋白標(biāo)準(zhǔn)譜圖高度重合。這類干擾物質(zhì)的存在會(huì)影響待測(cè)物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的匹配度，而消解能有效去除該物質(zhì)。本研究以30%H2O2為消解液，研究了不同加熱時(shí)長(zhǎng)的消解效果。

1.2.3 洗脫

洗脫的目的是將一級(jí)抽濾濾膜上截留的待測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至小體積洗脫液中，以便進(jìn)行二級(jí)抽濾。本研究通過(guò)微塑料純水加標(biāo)試驗(yàn)，研究超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)微塑料洗脫效果的影響。

1.2.4 定性和定量分析

紅外光譜法是指用一定波段的紅外光照射待測(cè)物質(zhì)，分子選擇性吸收某些波長(zhǎng)的紅外線，引起分子中振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。將儀器檢測(cè)得到的物質(zhì)的紅外吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行比對(duì)，從而完成物質(zhì)的定性定量分析。本研究綜合考慮儀器的檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)時(shí)間成本及信息收集效率，確定檢測(cè)模式及空間分辨率。另外，通過(guò)微塑料標(biāo)準(zhǔn)品的模擬測(cè)定試驗(yàn)，對(duì)所得光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度進(jìn)行分析，確定本研究可接受的匹配度，進(jìn)而對(duì)實(shí)際水樣中檢測(cè)到的微塑料進(jìn)行定量分析。

1.3 質(zhì)量控制措施

操作過(guò)程中，避免樣品與塑料器皿接觸；對(duì)全部器皿采取嚴(yán)格的清洗過(guò)程；超純水在使用前經(jīng)不銹鋼濾膜過(guò)濾。此外，為避免外環(huán)境及操作過(guò)程可能引入的污染，在每批次樣品的檢測(cè)過(guò)程中均設(shè)置全程序空白樣，在后續(xù)分析實(shí)際樣品數(shù)據(jù)時(shí)予以扣除。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抽濾

前期研究[22]中，通過(guò)加標(biāo)回收試驗(yàn)測(cè)試了硝酸纖維素濾膜、聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜、玻璃纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及不銹鋼濾膜6種濾膜的抽濾性能和洗脫性能。結(jié)果顯示：不銹鋼濾膜、聚四氟乙烯濾膜及聚碳酸酯濾膜均有較好的截留和洗脫效果；不銹鋼濾膜的截留率和洗脫率分別為97.1%、94.2%；聚四氟乙烯濾膜的截留率和洗脫率分別為94.2%、91.7%；聚碳酸酯濾膜的截留率和洗脫率分別為89.1%、95.9%；鑒于聚四氟乙烯和聚碳酸酯也是常見(jiàn)的塑料材質(zhì)，因而選擇不銹鋼濾膜進(jìn)行一級(jí)抽濾。二級(jí)抽濾濾膜需考慮濾膜是否適合紅外顯微光譜儀的檢測(cè)模式。本研究考察了銀膜及上述6種濾膜的綜合性能，結(jié)合可操作性及檢測(cè)成本，將銀膜作為二級(jí)抽濾濾膜，并于紅外顯微光譜儀ATR成像模式下進(jìn)行微塑料定性和定量分析。研究根據(jù)需要，對(duì)直徑為25 mm的玻璃抽濾裝置進(jìn)行了改造，使濾膜的有效抽濾直徑縮小至3.7 mm。

2.2 消解

以超純水和飲用水為試驗(yàn)介質(zhì)，以30%H2O2為消解液，以2 d作為消解時(shí)間，考察40 ℃條件下、不同加熱時(shí)長(zhǎng)(0、12 h和24 h)對(duì)干擾物質(zhì)的消解效果。消解時(shí)間及加熱時(shí)長(zhǎng)的組合模式如表1所示，相應(yīng)的消解效果如圖1所示，圖中圓圈處表示消解處理后殘存的干擾物質(zhì)。如圖1(b)、1(c)、1(d)、1(f)、1(g)、1(i)所示，在40 ℃條件下，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，消解效果越好。因此，本研究選擇用30%H2O2消解2 d，并在40 ℃條件下加熱24 h，來(lái)消解飲用水中的干擾物質(zhì)。

表1 消解試驗(yàn)條件Tab.1 Conditions of Digestion Tests

圖1 不同試驗(yàn)條件下干擾物質(zhì)的消解效果圖(a)～(d)按表1中a～d的消解條件對(duì)濾后超純水進(jìn)行消解所得的總吸光度圖；(e)～(i)按表1中e～i的消解條件對(duì)飲用水樣本進(jìn)行消解所得的總吸光度圖圖1Fig.1 Digestion Effect of Interfering Substances under Different Test Conditions(a)～(d) Total Absorbance of Ultra-Pure Water by Digestion Conditions in Tab.1 (a～d);(e)～(i) Total Absorbance of Drinking Water by Digestion Conditions in Tab.1 (e～i)

2.3 洗脫

以PE、PVC、PTFE、PA、PS微塑料標(biāo)準(zhǔn)品為試驗(yàn)對(duì)象，考察不同超聲時(shí)間和不同超聲溫度條件下微塑料的洗脫效果。

2.3.1 超聲時(shí)間

分別考察10、20 min以及30 min超聲對(duì)微塑料洗脫效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)超聲時(shí)間為10 min時(shí)，微塑料的回收率在72.8%～100.9%；當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)，微塑料的回收率在84.2%～99.3%；當(dāng)超聲時(shí)間為30 min時(shí)，微塑料的回收率在97.4%～120.4%，即隨著超聲時(shí)間的增加，微塑料的回收率有一定的增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，3組數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)，如表2所示。但當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，PE、PA、PS的回收率均超過(guò)了加標(biāo)量。因此，本研究將超聲時(shí)間確定為20 min。

表2 不同超聲時(shí)間對(duì)微塑料回收率的影響Tab.2 Effect of Different Ultrasonic Time on Recovery Rate of Microplastics

2.3.2 超聲溫度

由于塑料成分在40 ℃以上會(huì)發(fā)生分解[23]，本研究在超聲20 min時(shí)分別設(shè)定30 ℃和40 ℃這2個(gè)溫度條件。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)超聲溫度為30 ℃時(shí)，微塑料的回收率在84.2%～92.9%；當(dāng)超聲溫度為40 ℃時(shí)，微塑料的回收率在83.5%～94.3%，如表3所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異(P>0.05)。因此，本研究將超聲溫度確定為30 ℃。

表3 不同超聲溫度對(duì)微塑料回收率的影響Tab.3 Effect of Different Ultrasonic Temperature on Recovery Rate of Microplastics

2.4 定性和定量分析

2.4.1 檢測(cè)模式

傅里葉顯微紅外光譜儀分別具有透射、反射及全衰減反射(ATR)3種采樣模式和點(diǎn)、繪圖及成像3種測(cè)量模式。透射模式和反射模式對(duì)檢測(cè)基底、樣品的厚度及透光性有很高的要求，且所能檢測(cè)物質(zhì)的粒徑大于ATR模式；而ATR是通過(guò)ATR晶體與濾膜直接接觸，采集接觸面上的待測(cè)物質(zhì)信息，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需挑選、制備樣品，且檢測(cè)對(duì)象的粒徑可小至幾μm。測(cè)量模式中的繪圖模式及成像模式可靈活應(yīng)用于3種采樣模式，實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化。其中，成像模式使用具有元件陣列的檢測(cè)器可同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，顯著加快了測(cè)量速度。因此，本研究選用ATR成像模式進(jìn)行信息采集。

2.4.2 空間分辨率

ATR成像模式的空間分辨率可設(shè)置為1.56 μm或6.25 μm。ATR晶體單次可檢測(cè)最大區(qū)域?yàn)? 250 μm×1 250 μm。若對(duì)本研究二級(jí)抽濾獲得的直徑為3.7 mm的區(qū)域進(jìn)行測(cè)定分析，在相同參數(shù)條件下(光譜分辨率為16 cm-1，每個(gè)像素點(diǎn)掃描2次，掃描速度為1 cm/s，紅外光波長(zhǎng)為4 000～750 cm-1)。當(dāng)空間分辨率為6.25 μm時(shí)，檢測(cè)一張濾膜需耗時(shí)3～3.5 h。當(dāng)空間分辨率為1.56 μm時(shí)，檢測(cè)一張濾膜需耗時(shí)約36 h。綜合考慮圖譜質(zhì)量和檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，本研究將空間分辨率設(shè)置為6.25 μm。

2.4.3 匹配度

匹配度是指用數(shù)據(jù)來(lái)衡量某待測(cè)物質(zhì)的紅外光譜與相應(yīng)純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜的相似度，目前尚無(wú)文獻(xiàn)給出標(biāo)準(zhǔn)化的匹配度參考值。本研究以PVC、PE、PTFE、PS、PA微塑料標(biāo)準(zhǔn)品為試驗(yàn)對(duì)象，按照本研究確定的試驗(yàn)條件進(jìn)行前處理和儀器分析，將試驗(yàn)得到的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中相應(yīng)塑料的標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果顯示，5種微塑料的匹配度均大于75%?？紤]到實(shí)際水樣中的微塑料可能在環(huán)境中經(jīng)歷自然老化過(guò)程，理論上與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度應(yīng)小于本試驗(yàn)得到的匹配度。因此，本研究選擇將70%作為匹配度確認(rèn)條件，即當(dāng)待測(cè)物光譜和標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度達(dá)到70%以上時(shí)，認(rèn)為該物質(zhì)是某類微塑料。

2.5 方法準(zhǔn)確度和精密度

本研究以PE微塑料為試驗(yàn)對(duì)象，將已知數(shù)量的微塑料加入到6份超純水中，并定容至5 L，按照本研究確定的試驗(yàn)條件進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，本方法的回收率在73.1%～92.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=6)為8.7%，如表4所示。

表4 準(zhǔn)確度和精密度試驗(yàn)Tab.4 Accuracy and Precision Tests

3 實(shí)際水樣檢測(cè)

采集4份末梢水樣品，按本研究確定的方法對(duì)末梢水及全程序空白樣中的微塑料濃度進(jìn)行測(cè)定?？鄢瞻缀?，1#、2#、3#、4#水樣中微塑料濃度分別為11.70、8.50、13.40個(gè)/L和5.90個(gè)/L。樣品中檢出的不同成分微塑料的構(gòu)成如圖2所示。由圖2可知，聚縮醛(POM)、PTFE、PS、PVC、聚丙烯(PP)在4份水樣中均有檢出，其中POM是檢出比例最高的微塑料類型，數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的64.1%、57.6%、47.8%和71.2%；PTFE次之，其檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的7.7%、5.9%、15.7%和5.1%；PS檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的0.9%、15.3%、11.2%、1.7%；PVC檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的2.6%、2.4%、0.7%、1.7%；PP檢出數(shù)量分別占4份水樣中微塑料檢出總數(shù)的0.9%、1.2%、0.7%、3.4%。將此次檢測(cè)到的聚酰胺(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy resin)及聚丙烯酸酯(Polyacrylate)等物質(zhì)統(tǒng)稱為涂料顆粒，涂料顆粒在1#、2#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為15.4%、9.4%、1.7%；PE在1#、3#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為2.6%、23.9%、8.5%；PET在1#、2#、4#水樣中檢出，檢出比例分別為4.3%、7.1%、6.8%。PA僅在1#、2#中檢出，檢出比例分別為0.9%、1.2%；聚丙烯酰胺(PAM)僅在1#水樣檢出，檢出比例為0.9%。初步分析，本研究檢出的微塑料類型可能與制水工藝、輸配水管道或防腐涂料有關(guān)，如POM常見(jiàn)于輸配水管的接頭，PTFE常見(jiàn)于水龍頭管件與配水管接口處的生料帶，PU、PMMA、環(huán)氧樹(shù)脂及聚丙烯酸酯等常見(jiàn)于輸水管內(nèi)壁涂料等。上述僅是從成分角度進(jìn)行的初步分析，其具體來(lái)源還有待進(jìn)一步溯源和確證性研究。

圖2 生活飲用水中不同類型的微塑料分布情況Fig.2 Distribution of Different Microplastics in Drinking Water

4 結(jié)論

本研究建立了可用于檢測(cè)生活飲用水中微塑料的紅外顯微光譜測(cè)定方法。通過(guò)一級(jí)抽濾、消解、洗脫、二級(jí)抽濾等前處理過(guò)程，富集水樣中的待測(cè)物質(zhì)，采用傅里葉紅外顯微光譜儀的ATR成像模式進(jìn)行定性和定量分析。本方法樣品前處理簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)間成本較低，準(zhǔn)確度和精密度均較高，可用于檢測(cè)生活飲用水中的微塑料。