鄧延慧，李旦，TANVEER M ADYEL，萬冰洲*

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；2.東南大學(xué)-蒙納士大學(xué)蘇州聯(lián)合研究生院，江蘇 蘇州 215123)

微塑料作為一種新型污染物，由于在環(huán)境中具有持久性和廣泛性，成為近年來公眾關(guān)注的熱點(diǎn)。目前的研究主要圍繞微塑料的來源追溯、環(huán)境分布、生態(tài)效應(yīng)方面展開，而微塑料的準(zhǔn)確鑒別和定量分析是人們深入認(rèn)知微塑料污染情況的重要前提。微塑料(Microplastics)是指粒徑<5 mm的塑料顆?；蚶w維[1]，這一名詞最早出現(xiàn)于2004年的Science雜志，由英國(guó)普利茅斯大學(xué)的Thompson等[2]提出。微塑料對(duì)環(huán)境中的多氯聯(lián)苯(PCBs)和多環(huán)芳烴(PAHs)等持久性有機(jī)污染物，以及重金屬有很強(qiáng)的吸附能力[3],且易被環(huán)境中不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物誤食,一旦進(jìn)入食物鏈，將對(duì)人類健康構(gòu)成威脅[4]。部分歐美國(guó)家已頒布法令，禁止在個(gè)人護(hù)理品中使用微塑料[5]。目前，微塑料污染已成為各國(guó)政府、學(xué)者和公眾共同關(guān)注的環(huán)境問題。

微塑料按其產(chǎn)生方式可分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是指人工制造的塑料微珠，其被廣泛應(yīng)用于個(gè)人護(hù)理用品、醫(yī)療用品以及其他工業(yè)制品；次生微塑料則是由大型塑料制品在環(huán)境中通過物理、化學(xué)、生物作用等方式不斷破碎降解產(chǎn)生。由于大型塑料廢棄物數(shù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，因此，次生微塑料是環(huán)境中微塑料的主要來源。

微塑料具有顆粒尺寸小、疏水性強(qiáng)等特點(diǎn)，決定了其在水環(huán)境中的分布易受風(fēng)力、水流等因素影響[6]。微塑料在各種動(dòng)力條件的水環(huán)境中均有廣泛分布，如封閉的湖泊、流動(dòng)的河流、動(dòng)態(tài)的河口以及開闊的海洋,甚至在極地地區(qū)也有微塑料的蹤跡[7]。全球海洋表層海水中的塑料數(shù)量>5.25×1012個(gè)，其中微塑料的質(zhì)量高達(dá)3.5×104t[8]。對(duì)比不同海域表層海水所受的微塑料污染，其數(shù)量濃度為1～105個(gè)/m3[9]。

在Web of Science網(wǎng)站中以“microplastics”為關(guān)鍵詞檢索，共得到2 814篇文獻(xiàn)，其中與微塑料環(huán)境分布相關(guān)的文獻(xiàn)有617篇，占總文獻(xiàn)量的22%，與微塑料檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)有369篇，占總文獻(xiàn)量的13%。考察文獻(xiàn)逐年發(fā)表量發(fā)現(xiàn)，微塑料的環(huán)境分布研究和檢測(cè)技術(shù)研究均呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增幅逐年加快。當(dāng)前，微塑料在環(huán)境中的污染情況(賦存量和分布情況)是主要研究方向之一，而對(duì)微塑料的準(zhǔn)確鑒別和定量統(tǒng)計(jì)是了解微塑料在環(huán)境中污染情況的重要前提，但國(guó)際上對(duì)微塑料的量化分析還沒有統(tǒng)一的方法?，F(xiàn)基于已有文獻(xiàn)，從微塑料的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度2個(gè)方面，對(duì)定量分析方法進(jìn)行歸納，提出了目前研究的不足，以期指出未來需要深入研究的方向。

1 微塑料的數(shù)量濃度測(cè)定

微塑料的數(shù)量濃度是指，通過人工計(jì)數(shù)的方式數(shù)出微塑料的具體數(shù)目，再換算成環(huán)境樣品中的濃度。微塑料的數(shù)量濃度測(cè)定方法主要包括目視法和光譜法。

1.1 目視法

目視法是利用裸眼或顯微鏡來觀察樣品，將符合微塑料特征的顆粒物提取出來。對(duì)于粒徑為1～5 mm的微塑料顆粒，可用裸眼進(jìn)行直接判別；對(duì)于尺寸在微米級(jí)的微塑料顆粒，則需要在顯微鏡下進(jìn)行鑒別。目視法操作簡(jiǎn)單，但由于樣品中雜質(zhì)多且表觀相似，容易造成誤判。Hidalgo-Ruz等[10]利用傅里葉紅外光譜法(FTIR)對(duì)目視法檢測(cè)得到的顆粒進(jìn)行成分鑒別，結(jié)果僅30%為微塑料。此外，觀測(cè)者本身的差異也是造成誤判的原因。Dekiff等[11]報(bào)道了3位不同觀測(cè)者在相同檢測(cè)條件下對(duì)同一沉積物中的微塑料進(jìn)行鑒別，得出了樣品中的微塑料顆粒數(shù)為1～4個(gè)的不同結(jié)果。因此，目視法只能作為微塑料的初步鑒別手段。

有學(xué)者認(rèn)為熒光染色法可用來優(yōu)化目視法[12]。該法是指利用具有疏水性的熒光染色劑(如尼羅紅)對(duì)微塑料進(jìn)行染色，使染料吸附在其表面，然后進(jìn)行密度提取和過濾，在熒光顯微鏡下用特定光束照射，使它們發(fā)出熒光，通過圖像分析，對(duì)熒光粒子進(jìn)行識(shí)別和計(jì)數(shù)[13]。熒光染色法操作簡(jiǎn)單、快速，可用于實(shí)驗(yàn)室控制樣品中聚合物粒子的識(shí)別和定量。但由于部分生物有機(jī)質(zhì)也會(huì)被染色劑染色或天然帶有熒光屬性，使結(jié)果出現(xiàn)假陽(yáng)性[14]。目前，沒有任何方法可以從環(huán)境樣品中完全去除有機(jī)物，因此，熒光染色法可作為定量分析的一種輔助方法[15]。

1.2 光譜法

對(duì)于目視法挑選出的疑似微塑料顆粒，往往使用光譜法做進(jìn)一步分析。在不破壞樣本的條件下，對(duì)疑似微塑料顆粒的表面形貌、組成成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)微塑料進(jìn)行定性分類和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。常用的光譜分析法主要有FTIR和拉曼光譜法。

1.2.1 FTIR

FTIR是當(dāng)前鑒定微塑料普遍使用的技術(shù)之一，其通過紅外輻射檢測(cè)分子振動(dòng)頻率，以此來鑒別不同的官能團(tuán)，從而判斷微塑料的組分。FTIR有透射、反射、衰減全反射3種模式。透射模式能夠提供高分辨率圖譜，但分析材料必須透明、輕薄，才能確保被紅外線穿透；反射模式則可以完成厚且不透明材料的分析；衰減全反射模式可對(duì)粒徑≥300 μm的不規(guī)則顆粒進(jìn)行檢測(cè)[16]。水分會(huì)干擾FTIR的檢測(cè)結(jié)果，因而樣品在受檢前應(yīng)充分干燥。

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于焦平面陣列(FPA)的顯微FTIR法(FPA-Micro-FTIR)也開始應(yīng)用于微塑料的鑒定。Loder等[17]首次使用此法成功地對(duì)海洋浮游生物和沉積物樣本中粒徑在20 μm左右的微塑料進(jìn)行了檢測(cè)。相比于使用單個(gè)探測(cè)器對(duì)濾膜上的每個(gè)顆粒進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)的方法，F(xiàn)PA-Micro-FTIR法將FPA探測(cè)器與Micro-FTIR的顯微光譜聯(lián)合使用，由于單個(gè)網(wǎng)格中存在多個(gè)探測(cè)器，在一次測(cè)量中可同時(shí)記錄幾千個(gè)光譜，有助于快速生成化學(xué)圖像，從而對(duì)整個(gè)濾膜進(jìn)行分析。該方法不僅具有高分辨率，并且可將環(huán)境樣品中的微塑料粒徑檢出限降低到20 μm。此外，該方法通過測(cè)量整個(gè)濾膜的表面，避免由于分析濾膜的部分區(qū)域而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差。該方法雖然提高了結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，但具有一個(gè)缺點(diǎn)，即測(cè)量整個(gè)過濾器表面所需的時(shí)間較長(zhǎng)(10.75 h)?；诖耍芯空咛岢鲆环N優(yōu)化方案，即采用自動(dòng)識(shí)別顆粒的方法，僅在已識(shí)別出潛在顆粒的濾膜位置上對(duì)FPA場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，有利于大大縮短分析時(shí)間。此外，該優(yōu)化方案還具有更高的橫向分辨率，從而可以檢測(cè)粒徑更小的微塑料。

1.2.2 拉曼光譜法

拉曼光譜法的檢測(cè)原理是，利用激光與樣品分子和原子的相互作用(振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和其他低頻作用)產(chǎn)生拉曼位移，從而產(chǎn)生了物質(zhì)的特征拉曼光譜[12]。FTIR和拉曼光譜法在鑒別粒徑>20 μm的微塑料顆粒時(shí)準(zhǔn)確率相似，F(xiàn)TIR的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確識(shí)別塑料類型，不受熒光干擾，還可對(duì)濾膜進(jìn)行自動(dòng)分析。目前FTIR能識(shí)別的最小粒徑為20 μm，對(duì)于粒徑為1～20 μm的微塑料，拉曼光譜法是唯一的檢測(cè)手段。由于樣品中的無機(jī)和有機(jī)成分也會(huì)產(chǎn)生熒光，從而干擾拉曼光譜的檢測(cè)結(jié)果，因此將FTIR和拉曼光譜法結(jié)合使用，可提高微塑料的鑒定準(zhǔn)確率[17]。

1.2.3 光譜法存在的問題

(1)光譜分析的準(zhǔn)確度受到樣品本身和樣品處理方法的影響。塑料在環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間暴露會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生磨損老化[18-19]。此外，微塑料分析前的預(yù)處理方法，有丟失樣品信息甚至破壞微塑料顆粒的風(fēng)險(xiǎn)。例如，預(yù)處理中采用的堿性消解液會(huì)對(duì)部分聚合物如聚酰胺(PA)造成腐蝕[12]。然而許多研究在將樣品與參考光譜庫(kù)進(jìn)行比較或匹配時(shí)，忽略了由塑料磨損老化和預(yù)處理方法引起的光譜變化。因此，在微塑料鑒定之前，研究磨損老化和樣品預(yù)處理方法對(duì)微塑料的準(zhǔn)確鑒定至關(guān)重要[19]。(2)單一的光譜檢測(cè)方法會(huì)增加微塑料檢出的假陰性或假陽(yáng)性概率，從而降低準(zhǔn)確度。所以在鑒別過程中，需要將FTIR和拉曼光譜法結(jié)合使用，對(duì)疑似微塑料的樣品進(jìn)行檢查。(3)已有的聚合物光譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)并不完備，限制了對(duì)微塑料種類的鑒別。

2 微塑料的質(zhì)量濃度測(cè)定

2.1 質(zhì)量濃度測(cè)定的意義

由于微塑料在環(huán)境中具有易老化的脆性特性，顆粒的偶然破碎會(huì)改變粒子的數(shù)量，影響對(duì)其數(shù)量濃度的計(jì)算[20]。微塑料在環(huán)境中不斷碎片化，這一事實(shí)意味著粒子數(shù)不能被視為一個(gè)守恒的基本量。相對(duì)于粒子數(shù)，質(zhì)量則不會(huì)受到微塑料暴露在環(huán)境中發(fā)生的物理化學(xué)過程的影響。因此，對(duì)微塑料進(jìn)行質(zhì)量濃度測(cè)定，可以對(duì)微塑料的環(huán)境負(fù)載進(jìn)行量化，并直接比較不同來源的貢獻(xiàn)[21]。

對(duì)于以數(shù)量濃度為單位的微塑料，若要將其轉(zhuǎn)換為以質(zhì)量濃度為單位，則需要對(duì)微塑料進(jìn)行稱重。但由于單個(gè)微塑料的密度和體積都很小，且類型多樣，為稱重測(cè)量帶來困難?；诖?，Simon等[22]提出了一種使用FPA-FTIR成像技術(shù)對(duì)微塑料質(zhì)量進(jìn)行量化的方法。他們?cè)诩t外圖像上測(cè)量微塑料粒子的尺寸，模擬計(jì)算樣品的體積，然后乘以其對(duì)應(yīng)種類的密度，得到所檢測(cè)微塑料的質(zhì)量。研究者發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度是一種更可靠的微塑料表征方法，受分析方法和目標(biāo)尺寸的影響較小。然而，該法只能對(duì)微塑料質(zhì)量進(jìn)行粗略估計(jì)，定量分析方法則以熱分析法為主。

2.2 質(zhì)量濃度測(cè)定的方法

熱分析法是定量分析環(huán)境樣品中微塑料質(zhì)量濃度的常用方法，它是在程序設(shè)定溫度條件下，測(cè)量微塑料的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系，利用聚合物特征熱譜圖對(duì)微塑料組分及種類進(jìn)行鑒別的一種分析技術(shù)。此法不需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，可直接進(jìn)樣分析。目前，可用于微塑料質(zhì)量濃度測(cè)定的熱分析方法主要有熱重差示掃描量熱法(TGA-DSC)、裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(Pyr-GC-MS)、熱萃取解吸氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(TED-GC-MS)等。

TGA-DSC結(jié)合了熱重法(TGA)和差示掃描量熱法(DSC)2種方法的不同優(yōu)點(diǎn)。TGA是在程序設(shè)定的溫度下，監(jiān)測(cè)樣品在惰性氣氛中的質(zhì)量隨時(shí)間或溫度的變化來進(jìn)行定量分析。DSC則用于了解相變的焓、熱容和溫度等熱力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)樣品有吸熱或放熱現(xiàn)象時(shí)，會(huì)引起溫度變化，此時(shí)在DSC系統(tǒng)中會(huì)觀察到一個(gè)峰值，該峰值下的面積可用于微塑料質(zhì)量的定量分析[23]。Majewsky等[24]用TGA-DSC研究了幾種塑料(聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚醚砜、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚氨酯)，成功地對(duì)聚乙烯和聚丙烯進(jìn)行了定量分析，但對(duì)其余幾種微塑料，由于相變重疊問題而未能成功分析。TGA和DSC也可與其他儀器聯(lián)合用于定量檢測(cè)，例如，將DSC與Pyr-GC-MS聯(lián)用，可在裂解聚合物的同時(shí)，根據(jù)DSC中樣品質(zhì)量的變化，實(shí)現(xiàn)定量分析[25]。

Pyr-GC-MS的原理是，使微塑料在惰性氣氛下被熱分解，形成的氣體在色譜柱上進(jìn)行分離，再利用質(zhì)譜鑒定。每種聚合物具有特定的降解產(chǎn)物和指示離子，可用于定性和定量判斷。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不僅能分析微塑料自身的化學(xué)性質(zhì)，還能分析其他添加劑的化學(xué)性質(zhì)，而光譜法無法對(duì)添加劑進(jìn)行有效識(shí)別[26]。但對(duì)于合成纖維，由于它們的質(zhì)量非常小，而且特征指示離子的敏感性很差，該方法無法識(shí)別它們，需要借助FTIR光譜進(jìn)行識(shí)別[27]。此外，由于單次進(jìn)樣量少(0.1～0.5 mg)，所以該方法不適用于含有雜質(zhì)的大量樣本檢測(cè)。

基于此，有學(xué)者利用TED-GC-MS，結(jié)合TGA和固相萃取法，對(duì)微塑料降解產(chǎn)物進(jìn)行熱降解(100～600 ℃)，在GC-MS中進(jìn)行熱解吸分析[27]。相對(duì)于Pyr-GC-MS，該方法處理的樣品質(zhì)量可達(dá)100 mg，能夠分析復(fù)雜的非均質(zhì)基質(zhì)，且不需要預(yù)先篩選出樣品中的微塑料。該方法可在2～3 h內(nèi)快速分析和定量5種常見聚合物(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚酰胺)[28]。張玉佩等[29]通過TGA-FTIR，建立特征吸收峰面積與微塑料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，用以確定海水中的聚酰胺微塑料的質(zhì)量濃度。雖然其有效性已被初步驗(yàn)證，但不同種類微塑料特征峰的選取以及標(biāo)準(zhǔn)曲線制作還需要不斷完善。

熱分析法的優(yōu)點(diǎn)在于，在樣品分析前無須對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理，可直接進(jìn)樣分析，且不受微塑料形狀尺寸和表面形貌的影響，并能提供其顆?；瘜W(xué)組成和添加劑的信息，實(shí)現(xiàn)以質(zhì)量濃度為計(jì)量單位的定量分析要求。與光譜法相比，熱分析法的缺點(diǎn)在于，高溫條件會(huì)破壞樣品而無法獲取尺寸、形態(tài)、顏色等其他信息，給微塑料的溯源分析帶來困難，所以其應(yīng)用不如光譜法普遍。

3 方法匯總與比較

對(duì)現(xiàn)有的微塑料定量分析方法進(jìn)行了匯總和比較，見表1。

表1 微塑料定量分析方法

4 結(jié)語(yǔ)

微塑料的定量分析主要采用數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度2個(gè)單位，基于數(shù)量濃度的定量分析方法主要是目檢法和光譜法，其中的光譜法使用最多。光譜法可在樣品無損的情況下提供微塑料的形狀尺寸、表面形貌特征、老化程度和化學(xué)結(jié)構(gòu)組成等細(xì)節(jié)信息，但在樣品分析前需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。目檢法雖操作簡(jiǎn)便，但準(zhǔn)確度低于光譜法，可作為光譜分析的輔助方法。

未來的研究重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面：

(1)開發(fā)效率更高的分析方法。目前的定量分析方法已經(jīng)達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度，但檢測(cè)過程耗時(shí)過長(zhǎng)，應(yīng)考慮不同方法的優(yōu)化組合，利用不同儀器的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)結(jié)合粒子識(shí)別和自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)評(píng)價(jià)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微塑料高效全面的分析。(2)構(gòu)建微塑料結(jié)構(gòu)特征圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。由于光譜分析和熱分析法都依賴于微塑料的結(jié)構(gòu)特征圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，因此，建立完備的聚合物標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)十分有必要，這有利于微塑料的準(zhǔn)確鑒別，減少遺漏。(3)建立數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度之間統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的換算方法。單一使用數(shù)量濃度或質(zhì)量濃度作為單位，不能全面描述微塑料污染的輕重情況。數(shù)量濃度反映了微塑料的個(gè)數(shù)多少，但由于環(huán)境中微塑料的種類、尺寸、密度、形態(tài)各不相同，無法對(duì)其一一進(jìn)行質(zhì)量換算，致使對(duì)不同報(bào)道中微塑料的檢出量無法進(jìn)行平行比較。所以，應(yīng)當(dāng)提升環(huán)境中微塑料不同檢測(cè)結(jié)果的可比性，確定統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)和換算關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的相互轉(zhuǎn)化，有助于深入認(rèn)識(shí)微塑料污染的嚴(yán)重程度和生態(tài)影響。