劉東生,鄒國元,2,陳延華,2,梁麗娜,2,李麗霞,2**

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所 北京 100097;2.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心 北京 100097)

廢棄塑料的普遍存在及諸多負(fù)面影響使公眾感到不安,這讓塑料污染成為了環(huán)境領(lǐng)域研究的焦點問題。2004年,英國科研人員在《科學(xué)》上發(fā)表的一篇論文中首次提出微塑料概念[1],微塑料污染開始進(jìn)入大眾視線。目前尚未有全球公認(rèn)的微塑料定義。塑料按尺寸大小可分為:大(macroplastic,＞2.5 cm)、中(mesoplastic,5 mm～2.5 cm)、微(microplastic,MP 100 nm～5 mm)和納(nanoplastic,＜100 nm)[2-3]。微塑料具體又可分為:小(small,＜1 mm)、中(medium,1～3 mm)和大(large,3～5 mm)[4]。近期,一些學(xué)者建議窄化微塑料的范圍(1～1000 μm),將尺寸小于1 μm的塑料歸為納米塑料[5-6]。微塑料的形貌類型包括微珠(beads)、顆粒(nurdles或pellets)、纖維(fibers)、泡沫(foams)、碎片(fragments)和膜(films)等[7-8]。大部分微塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難降解、可長期存在(或以更小尺寸的形式存在),將對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康帶來潛在的威脅。形貌特征直接影響微塑料在土壤中的遷移行為[9-10]。環(huán)境風(fēng)險與尺寸、組分和含量等因素息息相關(guān),微塑料尺寸越小,環(huán)境風(fēng)險越大,對其的檢測越困難。受采樣、前處理和分析技術(shù)的限制,現(xiàn)有研究中檢測到的微塑料尺寸普遍較大,其實際數(shù)目被明顯低估[11-12]。另外,文獻(xiàn)數(shù)據(jù)之間的可比性差,不容易達(dá)成共識。沉積物中微塑料的分析方法可以經(jīng)過微調(diào)后用于土壤微塑料的分析。不過,對于土壤微塑料而言,復(fù)雜的組分和表面附著物的存在導(dǎo)致分析檢測存在更大的挑戰(zhàn),尚難以形成統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)方法[13]。

微塑料的成分本質(zhì)上是聚合物,對其的研究檢測主要借助于分析聚合物的技術(shù)從組分、形貌(包括顏色、形狀和尺寸)、含量(包括數(shù)量和質(zhì)量)等幾個維度進(jìn)行,如圖1所示。本文對這些分析技術(shù)在土壤微塑料研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行解析、對比及總結(jié),以期對今后土壤微塑料分析技術(shù)的完善、標(biāo)準(zhǔn)化以及相關(guān)研究的開展有所借鑒。

1 光譜分析

通過將微塑料樣品的光譜圖與光譜庫中的已知光譜進(jìn)行比對獲得具體的結(jié)構(gòu)信息,從而確定微塑料的化學(xué)組分,并統(tǒng)計得出微塑料的數(shù)量,是一種非破壞性分析方法。使用該方法檢測微塑料樣品時,通常將其與顯微鏡技術(shù)結(jié)合、成像技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)方法結(jié)合,從而實現(xiàn)對樣品的自動、快速定性定量分析。

1.1 紅外光譜法(Infrared Spectroscopy,IR)

紅外光譜是吸收光譜,信息從分子對入射電磁波的吸收得到。目前常見的紅外光譜法有傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)和近紅外光譜法(NIR)。

FTIR操作簡單,譜圖的特征性強(qiáng),既可以用于環(huán)境中微塑料的原位識別和定量[14-15],又可以用于老化微塑料的分析[16-17]。FTIR可以自由切換反射、透射、衰減全反射(ATR)模式,滿足對不同樣品的分析需求。ATR-FTIR可直接快速測試肉眼可見的尺寸不小于200 μm的微塑料[18-20]。為了保證圖譜的效果,通常檢測的微塑料尺寸不小于1 mm。傅里葉變換顯微紅外光譜法(micro-FTIR或者μ-FTIR)是將顯微鏡裝在傅里葉變換紅外光譜儀上,既是微量分析又是微區(qū)分析的一種方法。該方法可以滿足對粒徑大于10 μm[21](也有文獻(xiàn)提到粒徑限值為20 μm[22])的微塑料的檢測要求。不過,檢測過程中每次只能分析土壤樣本中挑揀出的1個微塑料顆粒,這樣操作過程繁瑣。配備焦平面(FPA)陣列或線陣列檢測器后,μ-FTIR可實現(xiàn)對整個濾膜上的微塑料的全自動測量,成為了目前用于免預(yù)分類、可視化、節(jié)省時間、自動識別、定量測定微塑料的最常用方法[23-24],這為微塑料檢測方法標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定了基礎(chǔ)。缺點是該方法需要去除目標(biāo)物以外的大部分物質(zhì)。為此,樣品的前處理尤為重要[25]。另外,考慮到該方法檢測到的微塑料數(shù)量會被低估[26],與其他分析技術(shù)聯(lián)用可以探索更多的化學(xué)信息,這樣檢測精準(zhǔn)度提高、范圍擴(kuò)大。比如:原子力顯微鏡紅外光譜聯(lián)用(AFM-IR)有望對尺寸更小的微塑料,甚至納米塑料進(jìn)行表征[16,27]。

NIR是利用有機(jī)基團(tuán)在近紅外區(qū)的電磁波的吸收特性來快速檢測樣品[28],已廣泛應(yīng)用于塑料回收[29]、材料檢測[30]及藥物分析[31]等領(lǐng)域,在微塑料研究中的應(yīng)用剛剛起步,尤其是土壤微塑料方面的報道有限[32]。Piarulli等[33]采用近紅外高光譜圖像技術(shù)(NIR-HIS)對水中3種標(biāo)準(zhǔn)聚合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)該法可以免去手動預(yù)挑選,直接識別濾膜上尺寸小至80 μm的微塑料顆粒,從而大大減少操作和分析時間以及潛在破壞或丟失顆粒的風(fēng)險。Corradini等[34]采用可見光-近紅外光譜法(vis-NIR)對模擬的土壤微塑料含量進(jìn)行預(yù)測時發(fā)現(xiàn),該方法免去了提取過程,直接量化樣品中微塑料的含量,可以滿足快速檢測土壤微塑料的需求,適用于微塑料污染區(qū)。Paul等[35]采用高通量快速無損近紅外光譜法對模擬的土壤微塑料進(jìn)行檢測時也證實該方法可用于較大樣本量的在線預(yù)測。Qiu等[36]進(jìn)一步將遷移學(xué)習(xí)法和NIR結(jié)合用于快速分析土壤微塑料,建立了能同時評價不同區(qū)域土壤微塑料污染水平的分級模型。發(fā)現(xiàn)在分析微塑料時遷移學(xué)習(xí)方法特別是MEDA算法比傳統(tǒng)的多變量分析方法更有效。

1.2 拉曼光譜法(Raman spectroscopy)

除了紅外光譜法,拉曼光譜法是另外一種在微塑料的原位組分定性和顆粒統(tǒng)計中發(fā)揮重要作用的方法[37-38]。拉曼光譜是散射光譜,信息從入射光與散射光頻率的差別得到。與紅外光譜法相比,拉曼光譜法具有更高的空間分辨率,不受水分干擾等優(yōu)點,一些紅外光譜不能檢測的信息可通過拉曼光譜獲得。缺點在于如果樣品產(chǎn)生熒光效應(yīng)或者添加劑比較多時會影響樣品檢測,或者檢測不到拉曼信號。另外,當(dāng)微塑料尺寸比較小時,測試樣品有被激光損壞的風(fēng)險。當(dāng)與顯微鏡聯(lián)用時,顯微拉曼光譜(micro-Raman或者μ-Raman)可以對10 μm以下、1 μm以上的微塑料進(jìn)行表征[39]。拉曼成像技術(shù)是將共聚焦顯微鏡、拉曼光譜技術(shù)和新型信號探測裝置相結(jié)合,能夠快速獲得高信噪比的未經(jīng)有機(jī)質(zhì)消解的微塑料的拉曼圖像[40]。Frère等[41]提出了一種結(jié)合靜態(tài)圖像分析的半自動顯微拉曼光譜分析方法。該方法能快速檢測環(huán)境微塑料的形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)信息,顆粒識別率在70%以上。另外,可以在樣品區(qū)域上采用面掃模式自動逐點采集信號,大大提高檢測效率和準(zhǔn)確率[42-43]。有文獻(xiàn)認(rèn)為,未去除的有機(jī)干擾物質(zhì)對分析結(jié)果準(zhǔn)確率的影響是紅外光譜法和拉曼光譜法的共性[44]。將拉曼和紅外結(jié)合使用,可提高微塑料的鑒定準(zhǔn)確率[45]。

2 熱分析

熱分析是另一種研究微塑料的常用方法,是針對微塑料熱降解產(chǎn)物進(jìn)行測定的破壞性分析方法。根據(jù)降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的片段信息推斷微塑料組分和結(jié)構(gòu),并給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與光譜法相比,該方法受粒徑限制小,受干擾物質(zhì)少。不足之處在于無法提供數(shù)量和形貌信息。而且,由于該方法的聚合物數(shù)據(jù)庫仍在開發(fā)中,不如光譜法完備,因此精準(zhǔn)的定量分析仍需時間[46]。Fojt等[47]提出該方法在檢測土壤中的生物降解微塑料(micro-bioplastics)時最有前景。該方法具體分為兩種:其一,僅對熱降解產(chǎn)物進(jìn)行分析,裂解氣質(zhì)聯(lián)用法(Py-GC-MS);其二,對熱解過程和產(chǎn)物均進(jìn)行跟蹤分析,熱重波譜聯(lián)用法,如熱重-氣質(zhì)聯(lián)用(TGA-GC-MS)、萃取-熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用(TED-GC-MS)和熱重-紅外(TGA-FTIR)。

2.1 裂解氣質(zhì)聯(lián)用

Py-GC-MS是在惰性氣體環(huán)境中,采用熱裂解器將微塑料裂解,受熱裂解的產(chǎn)物通過色譜分離,進(jìn)入質(zhì)譜儀離解,得到粒子碎片,從而確定聚合物結(jié)構(gòu)[48-51],是一種靈敏且成熟的適用于多數(shù)聚合物及其有機(jī)物的定性定量方法。其顯著優(yōu)點是同時識別聚合物和有機(jī)添加劑如塑化劑,有助于將微塑料的產(chǎn)生環(huán)境與其來源聯(lián)系起來,并提供有關(guān)其年齡和衍變的有用信息[52]。其缺點在于,熱裂解倉的尺寸和允許上機(jī)樣品量非常小,分別為1.5 mm和0.5 mg,對異質(zhì)或成分復(fù)雜樣品如土壤微塑料的重復(fù)性差,所以在準(zhǔn)備樣品時要格外小心。其次,因為不同的微塑料可能產(chǎn)生相似的熱裂解產(chǎn)物,存在誤判風(fēng)險。為了降低定量限,Dierkes等[53]將加壓液體萃取(PLE)和Py-GC-MS結(jié)合開發(fā)了一種可用于土壤微塑料的定量分析方法。萃取包括甲醇預(yù)萃取、四氫呋喃萃取兩步。樣品中聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的檢測含量范圍為0.03～3.3 mg·g?1。該方法具有靈敏度高,檢測速度快,通用性強(qiáng)等特點,通過自動化有望實現(xiàn)批量樣品分析。

2.2 熱重波譜聯(lián)用

熱重研究的是樣品質(zhì)量隨溫度變化的規(guī)律。土壤中的微塑料和其他組分不同(有時官能團(tuán)類似),失重曲線也不同。根據(jù)熱解溫度可以準(zhǔn)確預(yù)測微塑料的一致性。另外,一般情況下聚合物在500 ℃左右基本全部分解[54],對于600～800 ℃之間的失重,可以判斷為微塑料表面附著物或填料的分解。因此,熱重波譜聯(lián)用能快速確定微塑料、附著物或填料的類型和含量。

具體的熱重波譜聯(lián)用技術(shù)包括:熱重-質(zhì)譜(TGA-MS)[55]、熱萃取-熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用(TED-GCMS)、熱重-紅外(TGA-FTIR)和TGA-FTIR-GC-MS。熱重-固相萃取(TGA-solid-phase extraction)與熱脫附-氣質(zhì)(TDS-GC-MS)合稱為TED-GC-MS,即將熱重分析和微塑料降解固相萃取產(chǎn)物的氣相色譜、質(zhì)譜分析相結(jié)合[56]。Dümichen等[57]報道稱這種方法允許上機(jī)樣品量可達(dá)100 mg,保證了樣品的均勻性,能夠測量復(fù)雜組分樣品(如土壤微塑料),并能夠快速對其進(jìn)行定性定量,測試時間為2～3 h。文獻(xiàn)中對于在測試時是否需要預(yù)處理的說法不統(tǒng)一[40]。同樣,TGA-FTIR也可以增加樣品的辨識度。Yu等[58]考察了TGA-FTIR檢測環(huán)境微塑料的可行性,采用該方法對土壤微塑料聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯(PS)進(jìn)行了定量分析。張玉佩等[59]制定了聚酰胺(PA)標(biāo)準(zhǔn)樣品的TGA-FTIR定量標(biāo)準(zhǔn)曲線,用實際海水樣品驗證了該方法的有效性。不過,在分析微塑料樣品時發(fā)現(xiàn),有微塑料熱解物質(zhì)紅外信號相互重疊的現(xiàn)象存在,這增加了微塑料定量分析的難度。余建平[60]基于TGA-FTIR-GC-MS聯(lián)機(jī)技術(shù)定量分析了環(huán)境中常見的PE、PP、PVC等5種微塑料,并指出對于不同環(huán)境樣品,需要選擇適當(dāng)?shù)闹甘緞┘扒疤幚矸椒?否則會造成檢測結(jié)果偏差。熱重-差示掃描量熱法(TGA-DSC)也可提供微塑料PE和PP粒子碎片的信息[61],并實現(xiàn)微塑料的定量分析。

3 顯微技術(shù)

顯微技術(shù)是觀察和研究微塑料形貌的最直接的方法。具體應(yīng)用的有兩種:一種是目視法中常用到的光學(xué)顯微鏡,另一種是分辨率更高的電子顯微鏡。

3.1 光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡可以提供微塑料的形貌信息,在肉眼挑選微塑料的過程中起著舉足輕重的作用,即采用人工計數(shù)的方法計算出微塑料顆粒數(shù)目,再換算成樣品中的含量。優(yōu)點在于操作簡單、測試成本低。檢測尺寸極限為500 μm。隨著微塑料尺寸減小、透明度增加,以及干擾物存在,肉眼辨別微塑料的誤判率增加[62-63]。例如,Song等[64]指出,采用光學(xué)顯微鏡分析時,碎片狀微塑料顯著低估,纖維狀微塑料顯著高估。因此,該方法不能作為檢測微塑料的單獨方法。

3.2 電子顯微鏡

電子顯微鏡是顯微技術(shù)的一個重要分支,其核心是顯示肉眼所不能直接看到的微塑料。它是利用電子束對樣品放大成像的一種顯微鏡。目前微塑料研究中用到的主要有掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)和原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)兩種。

SEM是用二次電子加背景散射電子成像。放大倍數(shù)高,成像清晰,分辨率可達(dá)0.1 μm。顆粒表面的高分辨率圖像可幫助研究者從有機(jī)顆粒中識別出微塑料[65]。掃描電子顯微鏡-能量色散X射線聯(lián)用(SEM-EDS/EDX)可以同時對微塑料進(jìn)行表面形貌鑒定和元素組成分析,因此可以從無機(jī)粒子中辨別出微塑料。Gniadek等[66]比較了SEM-EDS/EDX與別的分析方法的優(yōu)缺點,認(rèn)為用SEM-EDS/EDX分析海水微塑料時更有效、簡單,更重要的是它有望在納米塑料的表征中發(fā)揮更大的作用。Wang等[67]提到了其他分析方法無法比擬的優(yōu)點,即SEM圖像可顯示出微塑料表面的裂紋和色素。SEM-EDS/EDX可直接給出微塑料表面覆蓋著生物膜、放射蟲和甲殼類動物等成分的證據(jù),可以識別出礦物質(zhì)及含獨特元素的微塑料(如氯化塑料)。不過,SEM要求樣品是導(dǎo)電且平整的,這使其應(yīng)用受到很大限制。AFM的設(shè)計類似于SEM技術(shù),它們的許多主件相同。不同的是,AFM可以在任何環(huán)境(如液體、空氣)中成像,且超越了光和電子波長對顯微鏡分辨率的限制,可在三維立體上在納米級、分子級水平上觀察樣品的形貌和尺寸,即該方法有望實現(xiàn)納米塑料的形貌表征[16,27]。

4 其他

目前應(yīng)用于環(huán)境微塑料的分析方法越來越豐富。飛行時間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)作為一種獨特的質(zhì)譜技術(shù),適用于分析無機(jī)元素和有機(jī)化合物,甚至復(fù)雜分子,可進(jìn)行快速質(zhì)譜掃描和特征有機(jī)離子成像。它能夠提供顆粒尺寸及分布信息。Du等[68-69]利用ToF-SIMS快速鑒定出土壤中PP、PVC、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚(酰胺6,PA6)4種微塑料的存在,并獲得了粒徑分布和數(shù)量豐度信息。河北保定市12個典型區(qū)域土壤中PET和PA6占比較大,達(dá)30%以上,粒徑分布在35 μm以下。電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)是另一種高效質(zhì)譜分析方法。Bolea-Fernandez等[70]嘗試用單粒子ICP-MS檢測粒徑為1 μm和2.5 μm的聚苯乙烯(PS)微球,成功獲得了環(huán)境中兩種模型微塑料的尺寸分布和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等信息。Elert等[71]在比較紅外、拉曼、TED-GC-MS和液相色譜(分子排阻色譜SEC)4種分析方法時提到SEC是一種快速定量評估環(huán)境中微塑料的有效方法。X射線衍射技術(shù)也是一種有價值的表征手段。Turner[72]使用便攜式X射線熒光光譜儀(XRF)分析了環(huán)境微塑料中的元素組成,所含微塑料的尺寸和含量可低至亞微米和亞毫克級。不過這些方法目前大部分僅限于模擬或其他環(huán)境體系,還未用于真實土壤微塑料檢測中。

5 總結(jié)與展望

從光譜分析、熱分析和顯微分析等角度對土壤微塑料研究中應(yīng)用的檢測方法進(jìn)行了綜述。光譜分析對微塑料進(jìn)行定性并統(tǒng)計數(shù)量,常見的有傅里葉變換紅外光譜法和拉曼光譜法。熱分析用于組分和質(zhì)量分析,具體分為裂解氣質(zhì)聯(lián)用和熱重波譜聯(lián)用。顯微分析則對形貌和尺寸進(jìn)行表征,包括光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡兩種。雖然應(yīng)用于土壤微塑料的分析技術(shù)越來越豐富,但是針對土壤微塑料的鑒別分析是一項復(fù)雜的工作,仍存在一些問題需要解決:

1)分析技術(shù)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這樣會大大降低相關(guān)研究之間的可比性,分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏成為了制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此,迫切需要制定包括土壤微塑料定性識別、定量分析在內(nèi)的統(tǒng)一規(guī)程,從而提高檢測分析數(shù)據(jù)的可靠性與可比性。

2)現(xiàn)有的土壤微塑料檢測方法各有利弊。單獨的檢測方法無法準(zhǔn)確獲得微塑料的信息,分析技術(shù)的組合或聯(lián)用有望高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對土壤微塑料定性定量分析。除了對微塑料本身進(jìn)行研究外,分析技術(shù)的組合或聯(lián)用還有助于獲得微塑料中的添加劑、微塑料與其他污染物的耦合作用等信息,更有助于清晰了解微塑料的來源。

3)在分析前應(yīng)仔細(xì)考慮需要解決的科學(xué)問題,決定研究目的,比如是對樣品中微塑料顆粒的精準(zhǔn)定性定量研究還是對區(qū)域土壤微塑料污染進(jìn)行快速評估,根據(jù)研究目的選擇合適的分析技術(shù)。

4)雖然土壤微塑料分析技術(shù)在不斷改進(jìn)或修正,但是部分技術(shù)僅僅在室內(nèi)模擬試驗?zāi)塬@得一定的數(shù)據(jù),由于實驗室模擬的環(huán)境與實際環(huán)境相差較大,故針對實際土壤微塑料的測定,仍有待于進(jìn)一步的探索與驗證。