微塑料基于质量和基于数量的微塑料分析方法综述

微塑料和纳米塑料已成为热点新污染物，并迅速成为科学研究重点领域。这些微塑料颗粒存在于全球水、气、土壤以及食物中，引发了人们对其对人类健康影响的担忧。为了充分解决这些问题，需要监测环境中微塑料和纳米塑料的可靠浓度信息。然而，微塑料、纳米塑料颗粒在尺寸、形状、聚合物类型、密度、表面特性等方面极其复杂多样。不同环境介质中的颗粒浓度可能相差多个数量级，这就突出了合适的检测方法对微塑料和纳米塑料的化学鉴定、量化和表征的重要性。最近读到一篇发表在Chemical Reviews (题名为Chemical Analysis of Microplastics and Nanoplastics: Challenges, Advanced Methods, and Perspectives)非常出色的一篇综述，尽管是2021年9月的文章，但依然是比较新颖和实用的综述类方法性文章，该文作者慕尼黑工业大学Natalia P. Ivleva回顾了有代表性的微塑料基于质量和基于粒子分析的先进方法，重点将微纳米塑料每一分析方法中的难点和要点讲述清楚，结合了每种仪器用于分析中的理论和经验性的总结，讨论了这些分析方法的优点和局限性，探讨它们对微塑料综合表征的互补性，综合分析纳米塑料的可靠分析方法。最后，提出了建立统一、标准化的方法来分析污染物的前景。

Ivleva, Chem. Rev. 2021

该文的主要内容是(i)指出微塑料和纳米塑料研究中的挑战和问题，(ii)批判性地评估适用于对微纳米塑料颗粒进行可靠和具有代表性的分析方法，(iii)讨论微纳米塑料研究领域热点。

本文重点介绍第二部分，分析方法部分，按照微纳米塑料基于质量的热分析仪器和基于颗粒数量的光谱学和电子显微镜方法，希望作者逻辑清晰的综述能对即将开展微塑料实验工作的研究者有所提醒或补益。

 

 

1.基于质量的分析方法  Mass-based methods

热裂解结合GC/MS:py-GC/MS, TED-GC/MS, MALDI-TOF/MS等

热降解方法是非常有效地识别和定量水气土环境介质和生物样品中微塑料污染的分析方法。这些方法依赖于特定温度下排除氧气后产生的降解（热解pyrolysis)产物，经气相色谱分离后，形成的裂解色谱图，表征不同聚合物的指纹图谱。利用质谱(MS)技术，可以在分子水平上对有挥发性的降解产物进行识别。

在特定热解产物的基础上，py-GC/MS可以测定微塑料聚合物质量，从而可以同时对复杂环境样品中不同微塑料进行精准定性和定量。不同聚合物的这些定量信息对于质量平衡和建模以及未来的立法都是不可或缺的。

一般有以下四种使用模式：(i)单段“single-shot” analysis, (ii) 双段/多段“double-shot” (or “multi-shot”) analysis, (iii) evolved gas analysis (EGA-MS),  (iv) reactive or thermochemolysis Py-GC/MS。根据热解产物的复杂性，裂解图谱复杂性程度为高（PE, PP, PET）、中等（PS）、低（PMMA）。py-GC/MS的检测限LOQ为0.01-1微克，若样品量为毫克级，可选择TED-GC/MS。

四个模式原文：By “single-shot” mode, the pyrolysis is performed at a distinct temperature, usually above 500 °C. The sample temperature is rapidly (<20 ms for modern systems) elevated from ambient to the pyrolysis temperature. The macromolecules are almost instantly fragmented in the pyrolyzer, and pyrolysis products are then separated in the GC column and used for the MS-based detection of polymer(s) and some additives. (67,81,101)
The “double-shot” (or “multi-shot”) mode or so-called thermodesorption (TD) Py-GC/MS) involves several (at least two) steps and allows for the sequential analysis of different compounds, e.g., volatile (low molecular weight compounds released at low temperature during a thermal desorption step) and nonvolatile (decomposition fragments of the macromolecules formed at high temperature(s) during pyrolysis step). This mode has shown to be efficient for the characterization of different volatile and nonvolatile polymer additives (102,103) and even sorbed organic compounds (104) combined with the identification of polymer(s) based on the analysis of pyrolysis products. (77,78) Furthermore, the “double-shot” mode can be used for the effective thermal desorption of potentially interfering organic compounds from the complex organic rich samples before the pyrolysis step, enabling the improved identification and quantification of MP decomposition products. (105)
EGA-MS involves the separation of degradation products during slow temperature ramp (which leads to a sequential macromolecules degradation in the pyrolyzer) and the replacement of the chromatographic column by a short and narrow (2.5 m, 0.15 mm i.d.) deactivated silica capillary tube without a stationary phase, to connect directly GC injector and MS detector. (101)
Thermochemolysis Py-GC/MS implies the addition of a derivatization agent, e.g., tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution, which induces a reaction of ester- and ether-cleavage followed by methylation (67,101) and help to significantly improve the detection sensitivity for some polymers (e.g., PET and PC). (71)

塑料聚合物的分子式及裂解产物如下图，TED-GC/MS利用热重分析仪TGA裂解塑料，裂解产物用GC/MS分析，对PE,PP, PS的检测限LOQ分别为10，1，0.2毫克。TED-GC/MS也可检测橡胶磨损Tire wear样品。另外一种灵敏的检测仪器为TD-PTR/MS, 对于PS的检测限LOD可达1纳克。

塑料聚合物的分子式及裂解产物

Figure . Example for the quantification procedure of three polymers (PP, PET, and PS) in seawater filter. (a) Total ion current of the sample. (b) Sections of the respective indicator ion chromatograms with integrated signals. (c) Respective full mass spectra of the individual pyrolysis products. (d) Calibration curves from pure polymers for the quantification of the respective polymer cluster. Reproduced with permission from ref (110) (supporting information). Copyright 2021 American Chemical Society.

Figure . Summary of identified decomposition products for elastomer and tire materials using TED-GC/MS.Reproduced with permission from ref (111). Copyright 2018 American Chemical Society.

Figure 4. (a) DSC signals for different MPs of 300 μm (2.0 mg). Conditions: heating rate, 10 °C/min under N2 atmosphere. (b) Multipeak fitting example of a polymer mixture with particle size in the range 23–256 μm. Adapted with permission from ref (128). Copyright 2018 Springer.

此外，利用DSC, MALDI-Tof/MS, ICP-MS检测微纳米塑料均有报道。

2.基于颗粒数量的分析方法Particle-based methods

振动光谱：红外光谱、拉曼光谱等，基于能量引发分子振动后的特征谱线对微塑料物质进行分析和鉴定，是高效分析方法。

红外光谱是一种分析由吸收电磁波谱中红外(MIR)区域(4000 ~ 400 cm?1)辐射而引发的分子振动的非破坏性的分析方法。由此产生的特征振动指纹光谱允许精确识别微塑料的聚合物类型，使用光谱数据库鉴定塑料和非塑料颗粒。

红外光谱有多种分析模式，提供了较多的可能性。在排除样品中水的影响后，ATR可无需制样快速鉴定较大的塑料颗粒，显微透射及反射模式可用于鉴定较小的颗粒。FPA阵列检测器可快速获得3800-900 cm-1范围内的大量光谱，空间分辨率达2.7微米，可检测达10微米的颗粒。由于基于图像的FPA数据集非常大，往往需要化学计量学及深度学习算法对光谱进行后续处理及谱图比对。基于FPA，安捷伦的LDIR设备可更加快速地进行红外光谱的获取及鉴定。

Figure . (a) FT-IR spectra of an identified PE particle (inset: optical image) from FTIR imaging data obtained using the free software siMPle (210) (courtesy of Sebastian Primpke). (b) False color image of the filter area of filter RefEnv278 after automated analysis and image analysis. Adapted with permission from ref (176). Copyright 2018 CC BY 4.0.

在纳米尺度上，scanning near-field optical microscopy (SNOM), nano-FTIR and atomic force microscopy (AFM)-IR (photothermal-induced resonancemicroscopy)，optical photothermal (O-PT) IR spectroscopy 可用于分析纳米塑料。

拉曼光谱是一种非破坏性的分析方法，在分析粒径较小的微塑料，甚至纳米塑料中得到了很多应用。基于分子接收激光能量后产生的非弹性拉曼散射，该相互作用可得到物质特征性的振动光谱。拉曼光谱技术，结合共聚焦显微镜和可见光范围的激光能够得到高空间分辨率（300纳米）。

拉曼光谱的高分辨率和红外光谱相比，更适合分析<20微米的颗粒，且由于水缺乏拉曼活性，拉曼更适合分析生物样品这类样品及生物成像。而拉曼光谱最大的缺点在于荧光的干扰，特别是针对带有荧光的生物样品、有机及无机样品。合适的激光选择可最大程度上排除荧光干扰，避免在532纳米激光时使用超过10mW的功率，避免灼烧样品。合适的滤膜选择及相应的仪器参数是拉曼光谱扫描时需要重点考虑的。

用PVC暴露大型溞后的肠道部位的拉曼光谱

极性共价键具有更强红外活性；非极性键、芳香键、双键和三键以及涉及重原子键的拉曼活性更加明显。因此，红外和拉曼光谱结合使用，可以得到互相补充的信息。此外，光谱学、质谱和电子显微镜等方法也可以结合使用，一并获得质量和数量的信息。

微塑料颗粒在(a)低倍光学显微镜和(b)SEM高空间分辨率下以及c)拉曼叠加后PE团聚颗粒的形态特征和化学成像

Figure . Overview for the automated detection, characterization, and quantification of particles and fibers using the free software TUM-ParticleTyper (Courtesy of Elisabeth von der Esch).

3.分析方法验证Validation

基于质量和数量的化学分析方法的发展、优化和改进需要可靠的方法验证。因此，在采样、样品制备和检测步骤中，使用空白来计算假阳性和应用标准品来估计回收率是必不可少的。建立一个质量控制程序来管理(质量保证，QA)和维持(质量控制，QC) 微纳米塑料分析的所有步骤的准确性和精密度，包括取样、样品制备和检测，已被公认为可靠的微纳米塑料研究的必需要求。

以下几项措施为必要的QA/QC:

(i)在无塑料工作条件下进行所有步骤，即使用玻璃、金属或陶瓷设备(也可使用少量或着色聚合物制成的物品)和棉质衣服；

(ii)在可行的情况下，使用超净台或无尘室进行样品制备；

(iii)对使用过的设备、溶剂和化学品采用适当清洗程序；

(iv)实验室空白值、加标回收率

(v)参与实验室间的对比实验。

其中，进行回收率及实验室间对比实验需要合适的标准品。热塑性塑料的种类与环境相关，此外，还有纤维和橡胶可考虑作为标准品。30-50微米级颗粒可由“自上而下”的方式，经冷冻磨损（cryo-mill）而成。而制造纳米级颗粒则需要“自下而上”的方法，将塑料溶解在甲苯中，加入表面活性剂可增加纳米塑料产出量。此外，同位素标记C13、C14、metal-doped PET纳米颗粒均有报道。

4.总结和展望Summary and Perspective

为研究微纳米塑料这类具挑战性的、高度复杂性和多样性的污染物，必须采用和优化现有的分析方法，并开发和验证新的有效分析方法。为了满足所有要求，这些方法必须能够在整个尺寸范围和不同介质中对微纳米塑料进行可靠和灵敏的识别、量化。因此，监测方法研究一方面需要适合代表性和高通量分析的时间和成本方法。另一方面，为了更好地了解微纳米塑料在环境中的命运，彻底评估潜在的生态毒理学风险，需提供有关化学成分、数量、尺寸分布、表面特性、形态、相关添加剂、吸附污染物等详细信息的方法。另外，考虑到塑料颗粒和纤维的普遍存在，必须考虑在MP分析的所有步骤中采取合理的污染预防措施。

Py-GC/MS和TED-GC/MS是最适用的基于质量的方法。前者的特点是具有较高的灵敏度，后者适合于分析相对大质量的样品(高达100 mg，为Py-GC/MS的200倍)。

在基于数量的所有的方法中，红外光谱和拉曼光谱是首选，但适用尺寸不同。在2004年第一篇微塑料研究中得到了应用的红外光谱，仍是最适用的。为了解决水峰强的问题，分析前需对样品进行彻底干燥。该方法与显微镜(μ-FTIR)相结合，可用于样品的鉴定和颗粒定量(包括粒子数量、尺寸分布和形态的信息)的空间分辨率降到大约10?20微米。

另一种振动光谱，拉曼光谱，是一种有效的化学识别和定量1μm以下微塑料的有效方法。纳米塑料可能具有更大的生态毒理学影响，需进一步开发、优化和验证适合分析纳米塑料的方法。