探微知著：微塑料多维检测技术的发展与应用
时间：2024-06-07 阅读：320
微塑料（Microplastic）的定义是指尺寸小于5 mm 的塑料颗粒、微纤维或者薄膜等。从目前的研究报道看，微塑料在环境中的分布已极为广泛，从深海到高山，从极地到赤道地区，几乎无处不在。近几年微塑料的环境影响引起了全球的关注，它们能够被多种生物摄取，通过食物链的传递可能对生态系统造成长期且复杂的影响。此外，微塑料还能吸附水中的有毒物质，如重金属和有机污染物，这些物质可能通过食物链累积并放大，最终对人类健康构成潜在风险。微塑料逐渐成为一种需特别关注的潜在环境污染物，越来越受到研究人员和公众的关注。
“微塑料”的概念最早于2004年《Lost at Sea: Where Is All the Plastic? 》文章中被提出。2012年《The applicability of reflectance micro-Fourier-transform infrared spectroscopy for the detection of synthetic microplastics in marine sediments》文章发表，红外光谱技术被引入微塑料的定性表征检测，很荣幸珀金埃尔默的Spotlight红外显微成像系统担任了文章中检测微塑料光谱信息的任务。
2017年中国重点研发计划“海洋微塑料监测和生态环境效应评估技术研究”启动，同年3月份辽宁省海洋水产科学研究院起草发布了微塑料的检测标准《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》。
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在微塑料科研和检测方法的发展过程中，珀金埃尔默始终和各行各业的客户合作，助力客户的科研和检测工作，改进完善微塑料的检测方案。
2018年，一项由新闻机构Orb Media组织的研究对全球11个国家的259瓶瓶装水进行了测试，结果显示其中93%的瓶装水样本含有微塑料。微塑料污染问题引起了国际社会的广泛关注，成为全球环境和健康议题的一部分。
微塑料相关领域的研究人员，采用了各种测试方法来确定微塑料在环境中的分布和来源。其中红外及显微红外光谱法，被用作检测和鉴别各种环境和样品基质中的微塑料的标准方法。珀金埃尔默的红外及显微红外已有完善的准确可靠检测方案，另外还充分挖掘不同检测设备的优势，将热分析-红外光谱-色谱质谱联用方法和单颗粒ICPMS方法引入微塑料研究，以提供微塑料多维检测数据，更好的服务于行业客户对全面表征数据的需求。
✦Part.1
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微塑料的红外及显微红外
光谱检测方案
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多尺寸
提供1.56微米以上多尺寸全光谱范围的微塑料的红外光谱法检测方案，可以根据测试尺寸要求的下限，自由选择不同的检测手段。现场检测大尺寸的微塑料，比如在船上直接检测拖网上的颗粒，可以直接使用红外光谱仪Spectrum 3或Spectrum 2。在实验室测试肉眼不可见的微米级别的微塑料，可使用Spotlight200i红外显微镜或Spotlight400红外显微成像系统。采用Spotlight200i红外显微镜，配合珀金埃尔默自主开发的微塑料自动分析统计软件，可以快速得到整张滤膜的微塑料的测试数据和尺寸统计等信息。下图是自来水样品过滤到滤膜上之后，整个滤膜全自动扫描微塑料光谱和微塑料自动计数的数据。
测试10微米以下尺寸的微塑料，采用Spotlight400红外显微成像系统，配合ATR成像附件,最小可以原位测到1.56微米尺寸的微塑料。下图是海洋中贝类样品的小尺寸微塑料的ATR成像原位测试的数据。
全光谱
珀金埃尔默方案提供微塑料完整的红外光谱图定性结果，光谱范围至少覆盖7800cm-1~600cm-1波段，保证谱图符合光谱学的定性三要素（特征峰位置、峰形状和峰强度），确保微塑料定性结果的准确无误。
其他使用局部波段的检测技术，会出现微塑料光谱图的误判情况，导致微塑料成分鉴定是不准确的。
上图是高密度PE微塑料和ABS微塑料的全波段红外光谱图，在1900cm-1以上和900cm-1以下的波段有非常关键的特征官能团和指纹吸收峰（标阴影区域），如果只是采集中间局部光谱图，比如1900-900cm-1的谱图来定性微塑料，会缺少待测物质的特征信息，不符合光谱学的定性三要素，不能始终给出可靠的光谱学定性结果。
✦Part.2
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微塑料的热重-红外-GCMS
联用技术检测方案
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微塑料通常悬浮在水面，被生物摄入后进入食物链，并在体内蓄积。随着微塑料带来的环境问题越来越受关注，除了微塑料颗粒、纤维的定性定量研究外，越来越多的研究人员，也在研究微塑料吸附的污染物以及微塑料降解产物的成分相关信息。在研究开始早期，微塑料的热裂解气相色谱-质谱联用技术，被用于分析和鉴定微塑料及其裂解产物的分析。但是随着研究方法使用的深入，暴漏了一些方法的弊端，比如无法获得关于降解产物特性的充分信息，几乎无法获得关于降解产物形成时间的信息。
珀金埃尔默将热重分析（TGA）-红外（IR）-气相色谱-质谱（GC/MS）联用方案引入微塑料研究，可以程序控制样品升温速率，实时分析微塑料基质中微塑料PE、PP、PS的总离子色谱图（TIC）数据热分解产生的产物，对逸出气体进行深入表征，获得更多关于降解产物特性的信息以及关于降解产物形成时间的详细信息。
下图为珀金埃尔默联用技术TGA-GCMS模式，悬浮液体中的微塑料（聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS））成分分析数据。
另外珀金埃尔默联用技术的TG-IR模式，可快速的对可降解性塑料的成分进行界别，下面是可降解性塑料餐盘（上）和不可降解性塑料（下）的对比热红联用数据。
✦Part.3
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微塑料的TGA-ICPOES
及单颗粒ICPMS技术检测方案简述
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微塑料吸附的污染物，有机污染物部分可以用前面所述的联机技术进行检测。可能吸附的无机污染物部分，可采用珀金埃尔默开发的TGA-ICPOES联用技术，对微塑料上吸附的重金属等无机污染物进行定性表征，如下图为微塑料的热失重和热重逸出气体的实时ICPOES响应曲线数据。
单颗粒ICPMS（SP-ICP-MS）技术，也可作为一种快速筛选方式，作为微塑料表征手段的一种补充工具。
相比其他分析手段，SP-ICP-MS分析速度较快，可以在更短的时间内采集更多颗粒，并能提供粒度分布和颗粒浓度的更多信息。通过监测C13的信号，使用NexION系统的SP-ICP-MS，可以成功用作微塑料测定的筛选工具或补充技术。利用单颗粒ICP-MS分析技术采用的快速瞬时采集能力（NexION 系列ICP-MS高达100000点每秒），C13背景得以大大降低，从而实现纳微塑料颗粒的准确分析。将SP-ICP-MS与可鉴别微塑料成分的红外光谱技术相结合，可以获得有关微塑料的更全面信息。右图为SP-ICP-MS筛选塑料茶包中微塑料颗粒的分析数据。
△表1：塑料茶包中含碳颗粒结果
综上，珀金埃尔默仪器与解决方案，在微塑料检测技术的发展中扮演着关键的角色，不断推动各项测试技术的创新与更新。我们的微塑料检测方法开发团队不仅积极参与当前的研究工作，而且与不同行业的合作伙伴携手，共同推动检测标准的建立与完善。我们坚信，微塑料问题所在之处，正是珀金埃尔默技术和解决方案发挥作用的地方。珀金埃尔默的使命是致力于创造一个更加美好的未来，我们期望能够支持和帮助更多投身于微塑料研究和检测的科研工作者。我们共同努力，为了我们共同生存的地球环境的改善和可持续发展贡献力量。