環(huán)境樣品中微塑料分析技術(shù)研究進(jìn)展

湯慶峰，李琴梅，魏曉曉，邵 鵬，高麗娟，陳啟榮，胡光輝，劉偉麗，高 峽

(北京市理化分析測(cè)試中心 有機(jī)材料檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市食品安全分析測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100089)

塑料制品的生產(chǎn)和使用給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。環(huán)境中的塑料垃圾在物理磨損、化學(xué)降解和生物降解的共同作用下，可降解為粒徑更小的塑料。一般將直徑或長(zhǎng)度小于5 mm的塑料纖維、顆?；蛩槠Q為微塑料[1-3]。1972 年，Carpenter等[4]在美國(guó)Florida 沿海首次發(fā)現(xiàn)了微塑料。隨后，微塑料在全球各地的水[5-6]、沉積物[7-10]、生物體[4，11-14]中不斷被檢出。微塑料尺寸小、比表面積大、疏水性強(qiáng)，是眾多疏水性有機(jī)污染物和重金屬的理想載體[15-16]。微塑料性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)入環(huán)境后難以被降解，可在風(fēng)力、河流、洋流等外力作用下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的遷移[17]，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成持久的影響。微塑料易被浮游生物、魚(yú)類及低等土壤生物誤食，長(zhǎng)時(shí)間滯留在生物體內(nèi)，并在食物網(wǎng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移和富集，對(duì)食品安全構(gòu)成潛在的威脅[18-21]。2014年，基于微塑料特征及其污染危害，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)將其列為十大新興重要污染物之一[22]。

近年來(lái)，微塑料議題逐步發(fā)展成為環(huán)境科學(xué)和生態(tài)科學(xué)的研究熱點(diǎn)，該領(lǐng)域的研究成果提升了人們對(duì)微塑料污染的認(rèn)識(shí)。微塑料是一類新型環(huán)境污染物，其對(duì)環(huán)境污染的研究剛剛起步，微塑料的環(huán)境行為、生態(tài)影響以及微塑料污染的控制手段還需深入研究。微塑料的尺寸、表面特性等特性表征和復(fù)雜環(huán)境樣品中微塑料的準(zhǔn)確定性鑒別與定量分析是微塑料研究中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，雖然已有學(xué)者在不同環(huán)境介質(zhì)中微塑料的采集、分離提取、定性鑒別分析方面進(jìn)行了研究，但由于聚合物類型復(fù)雜，微塑料本身尺寸范圍大，形狀、顏色多樣，加之缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的分析操作方法，使得目前微塑料的表征方式和檢測(cè)方法沒(méi)有一致的定論，所獲得的結(jié)果偏差較大，導(dǎo)致不同研究機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)難以比較[23-27]。微塑料分析方法的不統(tǒng)一，不僅制約了相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的闡明，也阻礙了治理微塑料環(huán)境污染的進(jìn)程。本文在整理目前國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)不同環(huán)境介質(zhì)中微塑料的采集、分離提取和定性定量分析方法進(jìn)行闡述，討論不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)現(xiàn)階段微塑料分析方法存在的問(wèn)題和不足，提出未來(lái)環(huán)境中微塑料研究的發(fā)展方向。

1 微塑料樣品的采集與分離

1.1 樣品采集

樣品采集方法對(duì)微塑料豐度的估算具有重要影響，直接挑選法、大樣本法和濃縮樣本法是目前環(huán)境微塑料采集的常用方法。環(huán)境中微塑料豐度低，樣品需經(jīng)過(guò)濃縮、富集等預(yù)處理才能被檢出；由于水、空氣中的微塑料粒徑小，無(wú)法用肉眼觀測(cè)，一定程度上限制了直接挑選法的應(yīng)用。

圖1 常用的海表微塑料拖網(wǎng)Fig.1 Common surface microplastic trawlsA.Neuston,B.Manta,C.Neuston,D.Bongo

1.1.1 海水、淡水海水或淡水中微塑料的采集一般采用大樣本法，以不同網(wǎng)目的浮游生物網(wǎng)采集(圖1)，根據(jù)水樣深度選擇不同的采樣裝置:(1)表層水通常選用拖網(wǎng)式采樣裝置，如Manta 拖網(wǎng)、Neuston 網(wǎng)等；(2)中層水常選擇Bongo網(wǎng);(3)底部深層水采用底棲拖網(wǎng)；(4)選擇大樣本法采集表、中層水時(shí)，也可使用水桶、玻璃瓶等容器。網(wǎng)目決定了拖網(wǎng)內(nèi)截留的顆粒物粒徑及顆粒物數(shù)量，可根據(jù)研究目的選擇不同孔徑的采樣篩網(wǎng)，已報(bào)道的網(wǎng)目在50～3 000 μm[28]范圍。水體中微塑料樣品采集的常用網(wǎng)目孔徑約300 μm，其優(yōu)勢(shì)是能采集大體積水樣，但缺點(diǎn)是不能采集300 μm以下的顆粒物，特別是<100 μm的具有生物學(xué)意義的顆粒，因此網(wǎng)目孔徑約300 μm時(shí)采集的顆粒物代表性嚴(yán)重不足。由于小孔徑網(wǎng)目被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)高，因此使用網(wǎng)目<300 μm的拖網(wǎng)的研究較少。網(wǎng)衣尺寸也會(huì)影響過(guò)濾水樣體積，通常網(wǎng)衣長(zhǎng) 3～4.5 m。此外，也有研究采用適用于大體積樣品的過(guò)濾采樣[29]、原位過(guò)濾采樣[30]。拖網(wǎng)類型、網(wǎng)目尺寸、濾膜孔徑以及表征單位不統(tǒng)一，均會(huì)造成微塑料豐度估算結(jié)果的不同[31]，影響中上層水體中微塑料濃度的可比性。

1.1.2 土壤、沉積物土壤和沉積物中微塑料的采集，一般需要先劃分一定面積的采樣區(qū)域，確定采樣位置、采樣深度及樣方的設(shè)計(jì)等，然后采用多點(diǎn)法在研究區(qū)域利用不同的采樣工具采集多個(gè)樣品，這些樣品根據(jù)研究目的可以分為表層樣品或分層采集的剖面樣品，最后綜合評(píng)估目標(biāo)區(qū)域的微塑料污染。如海灘沉積物微塑料調(diào)查通常布設(shè)數(shù)個(gè)垂直或平行于海岸線的樣帶，正方形樣方采樣后將數(shù)個(gè)樣品合并，綜合評(píng)估目標(biāo)海灘的微塑料污染。

土壤、沉積物樣品中微塑料采集的工具及方法根據(jù)研究目的的不同而有所差異，常用的采樣工具有不銹鋼勺、不銹鋼鏟、箱式采樣器、環(huán)刀、鐵鏟、取土鉆等，樣品采集量通常為數(shù)百克到數(shù)千克不等[1]。沉積物采樣深度一般為表層2、3、5 cm不等，但也有文獻(xiàn)報(bào)道深達(dá)0.3 m[32-33]；而土壤采樣應(yīng)根據(jù)耕層厚度確定采樣深度，一般取樣深度0～20 cm。其中，在研究微塑料的區(qū)域性分布時(shí)應(yīng)選擇樣方調(diào)查法，研究微塑料的空間分布時(shí)需選擇箱式采樣器。目前尚無(wú)土壤、沉積物中微塑料的采樣標(biāo)準(zhǔn)方法，不同的研究報(bào)道給出的微塑料濃度單位各不相同，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可比性不高。

1.1.3 環(huán)境空氣環(huán)境空氣的采集方法依據(jù)研究對(duì)象、研究目的的不同，所采用的方法標(biāo)準(zhǔn)不同，常見(jiàn)的空氣采樣方法[34]有：溶液吸收法、吸附管法、濾膜法、濾膜-吸附劑聯(lián)用法、直接采樣法和被動(dòng)采樣法。直接采樣法適用于一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)物、總烴等污染物的樣品采集，常用于空氣中被測(cè)組分濃度較高或所用分析方法靈敏度較高的情況，采樣裝置一般選用真空罐(瓶)、氣袋、注射器等。被動(dòng)采樣法適用于硫酸鹽化速率、氟化物(長(zhǎng)期)、降塵等污染物的樣品采集。微塑料的大氣污染研究在國(guó)際上鮮見(jiàn)報(bào)道，周倩等[35]采用大氣被動(dòng)采樣法收集大氣微塑料沉降樣品，分析了我國(guó)濱海城市大氣環(huán)境中微塑料的類型、沉降通量及季節(jié)性變化特征。Dris等[36-38]對(duì)巴黎城區(qū)及郊區(qū)大氣微塑料進(jìn)行了調(diào)查研究，認(rèn)為室內(nèi)空氣微塑料(纖維)污染可能是大氣環(huán)境中微塑料的主要來(lái)源。

1.2 微塑料的分離

塑料類型多樣，而且環(huán)境中的微塑料會(huì)與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生不同程度的融合，有的甚至成為復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的一部分[39-40]。如何從大量環(huán)境樣品中分離獲得微塑料，成為開(kāi)展該項(xiàng)調(diào)查研究的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)階段常見(jiàn)的微塑料分離方法有目檢法、密度法、篩分法、過(guò)濾法、消解法等(表1)。

表1 微塑料的分離提取方法比較Table 1 Comparison of separation and extraction methods of microplastics

1.2.1 目檢法目檢法是利用肉眼直接觀察或在顯微鏡的協(xié)助下，將微塑料從自然源及非塑料的人為源中挑取，并根據(jù)微塑料形態(tài)、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)予以分類的方法。通常目檢法選用的顯微鏡放大倍數(shù)在10～16倍范圍內(nèi)，顆粒過(guò)小時(shí)則需要采用放大倍數(shù)更高的解剖顯微鏡或熒光顯微鏡。Nielsen等[40]和Faure等[41]在雙筒顯微鏡等儀器的協(xié)助下，將被認(rèn)定為微塑料的顆粒用鑷子挑出，再以顆粒的最大內(nèi)徑作為顆粒尺寸，并利用測(cè)微尺確定微塑料尺寸，最后進(jìn)行分級(jí)。目檢法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但準(zhǔn)確性受微塑料顏色、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等特性的影響，誤判、遺漏等現(xiàn)象在目檢法中時(shí)有發(fā)生。因此目檢法分離微塑料時(shí)需注意以下事項(xiàng):(1)排除所有生物、有機(jī)組分存在的可能；(2)顆粒邊界必須清晰，整體色澤均勻，若顆粒為白色或透明則需利用更大的放大倍數(shù)或選用熒光標(biāo)記顯微鏡確證；(3)若觀察到的纖維為線狀，并未發(fā)生彎曲、纏繞，則可能是生物源纖維，應(yīng)予以剔除；對(duì)透明纖維或綠色纖維需要進(jìn)行高倍放大檢查，以確認(rèn)其性質(zhì)，因?yàn)檫@兩種顏色在天然顆粒中非常普遍[36]。

1.2.2 密度法密度法利用目標(biāo)組分與雜質(zhì)的密度差異實(shí)現(xiàn)輕組分微塑料與重組分雜質(zhì)的分離。一般操作方法是:向樣品中加入飽和鹽水，充分振蕩、攪拌使之混合均勻，隨后靜置沉淀直至重組分脫離水相體系重新沉降，而微塑料繼續(xù)保持懸浮狀態(tài)或漂浮于溶液表面，最后收集上層溶液中的微塑料。在不考慮表面附著物的情況下，塑料密度一般為0.8～1.4 g·cm-3[1]，而沉積物密度通常為2.65 g·cm-3，因此利用密度分離法能有效提取沉積物樣品中的微塑料。實(shí)驗(yàn)常選擇價(jià)廉易得的飽和NaCl溶液(密度為1.2 g·cm-3)作為密度分離法的浮選液[42]。但飽和NaCl溶液不能使高聚物全部脫離沉積物，在分離聚氯乙烯等高密度微塑料時(shí)會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果嚴(yán)重偏小；與飽和NaCl溶液相比，NaI與ZnCl2溶液的密度更大，分別為1.6～1.8 g·cm-3和1.5～1.7 g·cm-3，能提高高密度塑料組分的提取效率，因此有研究采用NaI或ZnCl2溶液對(duì)沉積物、土壤樣品中的微塑料進(jìn)行分離[33,43]。但土壤中含有大量有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)易與微塑料相互包裹，若直接對(duì)土壤進(jìn)行浮選，很難實(shí)現(xiàn)微塑料的有效分離。因此在處理壤質(zhì)、粘質(zhì)土壤樣品時(shí)，應(yīng)首先采用超聲處理法打碎土壤團(tuán)聚體,且不同粒徑的土壤團(tuán)聚體應(yīng)使用不同的超聲能量[44]。密度介于1.0～1.4 g·cm-3的有機(jī)質(zhì)與部分塑料的密度相似，因此密度分離法不足以去除全部有機(jī)質(zhì)[39]。

圖2 微塑料連續(xù)流動(dòng)分離浮選裝置示意圖[48]Fig.2 Schematic for an apparatus of continuous flow separation flotation for microplastics[48]1.solution storage drum;2.glass tube;3.creep pump;4.air pump;5.gas flowmeter;6.overflow collection cup;7.sample cup;8.fixed stent;9.magnetic agitator;10.creep pump;11.vibrating screen;12.recovery slot

近年來(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)出一些基于密度分離原理的微塑料分離裝置，Claessens等[45]設(shè)計(jì)了一種淘洗管裝置用于沉積物中微塑料的分離,該裝置由柱體、篩、曝氣石和底部供水系統(tǒng)組成,裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易,主要通過(guò)氣體或液體產(chǎn)生上升流帶動(dòng)微塑料上浮,從而達(dá)到從基質(zhì)中分離的目的。Zhu等[46]通過(guò)對(duì)上述裝置進(jìn)一步優(yōu)化，在一定程度上提高了微塑料的回收率。Imhof等[43]也提出一種從水相、沉積相中分離微塑料的方法，其主要原理是采用連續(xù)、多次塑料浮選裝置來(lái)強(qiáng)化密度分離過(guò)程，以分離效果更佳的ZnCl2溶液作為浮選液，該方法對(duì)1～5 mm和<1 mm粒徑范圍顆粒的回收率分別達(dá)100%和95.5%。另外，Noik等[47]在Classens和Imhof 裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，制作出一套低成本流化床密度分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用曝氣系統(tǒng)產(chǎn)生的上升氣體強(qiáng)化體系的攪動(dòng)，靜置后由供水系統(tǒng)推動(dòng)浮選液從上口溢出，提高了對(duì)微塑料的分離性能。章海波等[48]在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套新的連續(xù)流動(dòng)分離浮選裝置(圖2),該裝置由液體存儲(chǔ)、氣浮溢流、篩分回收3部分組成,各部分通過(guò)蠕動(dòng)泵和導(dǎo)管聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)了大體積固體樣品的連續(xù)流動(dòng)-浮選一體化。該裝置及分離程序不僅操作簡(jiǎn)單、人工干預(yù)少,而且分離效率高,適用于土壤和沉積物中微塑料的分離。

1.2.3 篩分及過(guò)濾法篩分是利用篩子使樣品中小于篩孔的細(xì)粒物料透過(guò)篩面，而大于篩孔的粗粒物料留在篩面上，完成粗、細(xì)粒物料分離的過(guò)程。微塑料顆粒的粒徑與其在環(huán)境中的遷移行為有密切關(guān)系，粒徑不僅直接決定了微塑料顆粒進(jìn)入生物體內(nèi)的難易程度，也對(duì)采樣篩網(wǎng)的孔徑提出了要求。通常情況下，篩分法的截留材料是不銹鋼或銅材料制成的篩網(wǎng)，將環(huán)境樣品先通過(guò)孔徑為5 mm的篩網(wǎng)，去除粒徑較大的顆粒和其他雜質(zhì)，隨后再通過(guò)一系列不同孔徑的篩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)微塑料按粒徑大小的分級(jí)，最后用濾膜或篩網(wǎng)過(guò)濾，將截留在篩網(wǎng)上的目標(biāo)顆粒沖洗下來(lái)，保存于玻璃試管中。利用篩分法進(jìn)行粒徑分級(jí)時(shí)，沉積物樣品一般需通過(guò)2～4個(gè)篩網(wǎng)，而水樣則需通過(guò)4～9個(gè)篩網(wǎng)，孔徑范圍均控制在0.038～5.000 mm 范圍內(nèi)。

過(guò)濾與篩分的提取過(guò)程大同小異，都是利用尺寸較小的細(xì)孔截留微塑料，且采集的微塑料粒徑均取決于采樣、分離過(guò)程使用的篩網(wǎng)或?yàn)V膜孔徑；但過(guò)濾法的截留材料為濾膜，其孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于篩網(wǎng)，一般在0.45～2 μm左右[49-51]。由于濾膜的孔徑較小，過(guò)濾法一般在減壓條件下進(jìn)行，減壓操作雖然可提高微塑料的分離效率，但過(guò)濾法會(huì)使微塑料與濾膜結(jié)合過(guò)于緊密而難以洗脫。為解決這個(gè)問(wèn)題，Hoffman等[52]嘗試了多種沖洗溶劑，發(fā)現(xiàn)異丙醇溶液(50%，體積分?jǐn)?shù)) 具有良好的洗脫效率。

1.2.4 消解法消解法主要應(yīng)用于生物樣品的預(yù)處理，目的是減少環(huán)境樣品基底對(duì)微塑料的干擾，并避免人為次生微塑料的產(chǎn)生，通常采用酸消解、堿消解或酶消解等對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。不建議采用超聲清洗[53]，因?yàn)槔匣妥兇嗟乃芰峡赡茉诔曁幚碇袛嗔?，人為生成新的次生微塑料。不同類型微塑料的化學(xué)耐受性有所差異，Deforges等[50]的研究表明，采用酸消解處理樣品時(shí)，聚苯乙烯、尼龍釣魚(yú)線等的回收率在90%～98%之間，而尼龍纖維的回收率則幾乎為零；不僅如此，消解程度也受溫度、時(shí)間及消解液組成等因素影響。Nuelle等[54]利用35%H2O2溶液對(duì)沉積物樣品連續(xù)消解7 d，結(jié)果顯示大部分生物有機(jī)組分被消解，為后續(xù)研究分析提供了便利。Dehaut等[55]同時(shí)對(duì)6種預(yù)處理方法進(jìn)行了比較，分別以10% KOH、0.063 mol·L-1HCl、14.4 mol·L-1HNO3、14.4 mol·L-1HNO3和14.4 mol·L-1HClO3(體積比4∶1)混合液、10 mol·L-1NaOH、0.27 mol·L-1K2S2O8和0.24 mol·L-1NaOH混合液為消解液，研究結(jié)果表明，使用10%KOH于60 ℃消解24 h效果最佳。Cole等[56]用不同濃度的酸、堿及酶對(duì)樣品進(jìn)行消解，比較了3種消解方法對(duì)海洋生物的消解效果，發(fā)現(xiàn)采用1.2 mol·L-1HCl消解時(shí)，濾液中存在大量目標(biāo)物質(zhì)，表明酸性消解在消解生物樣品的同時(shí)也會(huì)消解部分類型的微塑料；他們還發(fā)現(xiàn)1.2 mol·L-1NaOH 溶液在室溫條件下對(duì)樣品雜質(zhì)的消解率可達(dá)90%，而且隨著溫度和消解液濃度的提高消解率可進(jìn)一步提高，但當(dāng)NaOH濃度達(dá)10 mol·L-1時(shí)，會(huì)損壞部分微塑料。最后，他們利用蛋白酶(K酶)消解相同生物樣品，結(jié)果表明蛋白酶K對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除率大于97%，且不分解微塑料。連續(xù)酶消解凈化方法被認(rèn)為是在傅立葉變換紅外光譜法(FT-IR)鑒別分析前干擾較小的方法，具有良好的應(yīng)用前景。

2 微塑料定性鑒別分析技術(shù)

目前微塑料的定性鑒別技術(shù)大致分為3種。一是目視鑒別法，即通過(guò)裸眼或借助顯微鏡對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行粗略地判斷，但這種方法所做出的判斷結(jié)果易受主觀因素的影響，一般不單獨(dú)使用；二是將目視鑒別法與光譜儀器分析相結(jié)合，這種方法所得結(jié)果的精確度較高，但是耗時(shí)也較長(zhǎng)；三是熱分析法，通過(guò)分析聚合物的熱穩(wěn)定性來(lái)考察其物理和化學(xué)性質(zhì)變化，最近已被應(yīng)用于微塑料的鑒定中。

2.1 目視鑒別法

盡管目視鑒別法應(yīng)用于微塑料鑒別存在一定爭(zhēng)議，但由于其具有操作簡(jiǎn)單、成本低和無(wú)化學(xué)危害等優(yōu)點(diǎn)，仍然是目前常用的微塑料鑒別技術(shù)。目視鑒別法可通過(guò)裸眼對(duì)大塊(2～5 mm)、有顏色的塑料碎片，以及樹(shù)脂顆粒進(jìn)行分離和鑒別；但在鑒定小于1.0 mm且無(wú)顏色、無(wú)特定形狀的樣品時(shí)，用肉眼直接觀察很難確保塑料的真?zhèn)蝃53]；顯微鏡通過(guò)放大微塑料的細(xì)節(jié)特征,在區(qū)分微塑料及其類似物的過(guò)程中，起到了非常關(guān)鍵的作用。劉濤等[57]對(duì)東海表層海水進(jìn)行處理，使用雙筒體視顯微鏡觀察樣品，挑選出其中的塑料碎屑，并用FT-IR對(duì)樣品進(jìn)行了定量分析。Martins 等[58]使用雙目鏡觀察微塑料及微塑料類似物的形狀信息，并通過(guò)測(cè)微尺對(duì)所有顆粒進(jìn)行了尺寸分類。合成(如聚酯纖維)及天然(如染色的棉)纖維難以在單獨(dú)使用顯微技術(shù)的情況下得以區(qū)分[59]，而在水、沉積物及生物質(zhì)樣品中的微塑料，纖維所占的比例最高[60-61]，因此高等顯微方法在一些研究中被用于塑料顆粒的鑒定。Vonmoos等[62]利用偏光顯微鏡在毒性實(shí)驗(yàn)中成功鑒別出了聚乙烯(PE)顆粒，但由于加工工藝不同，不同類型甚至同一類型的聚合物具有不同的結(jié)晶度，而微塑料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)影響偏振光的傳播。故這種鑒別方法不適于鑒別不透光濾膜上的樣品，且被檢測(cè)樣品需要足夠薄，以使足夠的偏振光能夠穿透樣品。

2.2 傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)

紅外光譜廣泛用于分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)化學(xué)組成的研究，Browne等[60]使用FT-IR對(duì)每一個(gè)疑似塑料的顆粒進(jìn)行圖譜分析，不僅可以鑒別微塑料的聚合物成分，避免非塑料顆粒的假陽(yáng)性結(jié)果，而且還能獲取微塑料的數(shù)量信息 。隨著FT-IR技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外附件也得到了改進(jìn)，先進(jìn)的紅外附件(如紅外顯微鏡附件)使得紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。紅外顯微光譜成像是在紅外顯微鏡和紅外光譜儀技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的對(duì)微區(qū)進(jìn)行分析的技術(shù)，該技術(shù)不僅能夠獲得樣品空間各個(gè)點(diǎn)的光譜圖像，還可通過(guò)對(duì)各個(gè)點(diǎn)的光譜分析獲得樣品空間各點(diǎn)的組成和結(jié)構(gòu)，適合小尺寸樣品(微塑料)的無(wú)損鑒別分析[63-65]。紅外顯微成像技術(shù)有反射、透射和衰減全反射(ATR)3種操作模式，透射模式能提供較強(qiáng)的信噪比，適合于檢測(cè)透光性較好的樣品，如厚度小于20 μm的薄膜、固體切片、微量液態(tài)樣品；反射模式適合檢測(cè)反射光較強(qiáng)、背景比較亮的樣品，但該模式對(duì)待測(cè)樣品表面的整潔和整齊程度要求較高。從環(huán)境樣品中分離得到的微塑料由于受到風(fēng)化、摩擦等物理化學(xué)的作用，表面變得凹凸不平，或附著了大量雜質(zhì)。因此在使用反射模式對(duì)環(huán)境中的微塑料進(jìn)行鑒別時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中無(wú)法獲得良好的反射光信號(hào)，從而對(duì)圖譜的質(zhì)量和分析造成影響。反射模式和透射模式是紅外光譜檢測(cè)中最常使用的兩種檢測(cè)方式。然而，對(duì)于不透明和反射率極低的物質(zhì)，用上述兩種方法就很難甚至無(wú)法測(cè)量。衰減全反射(ATR)技術(shù)于20世紀(jì)90年代初開(kāi)始被應(yīng)用于紅外顯微鏡上，可通過(guò)附件晶體直接與樣品接觸獲得樣品表層有機(jī)成分的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過(guò)軟件的主成分分析功能即可有效剔除成像數(shù)據(jù)中的雜質(zhì)干擾。但該法也有其局限性，其一，單點(diǎn)顯微ATR不適合絲狀微塑料的鑒定研究，因?yàn)闉V膜上的絲狀微塑料通常呈翹曲懸空狀態(tài)，ATR 晶體很難準(zhǔn)確接觸到翹曲懸空的樣品，而一旦接觸到濾膜，不僅濾膜本身的紅外吸收信號(hào)干擾較大，且單點(diǎn) ATR 晶體所產(chǎn)生的壓力可能會(huì)破壞較易碎的微塑料[66]；另外，使用ATR探針對(duì)每一個(gè)疑似塑料的顆粒進(jìn)行掃描非常耗時(shí)[53]。隨著定性鑒別研究的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，通過(guò)配備陣列檢測(cè)器(Focal plane array,FPA)的反射模式，能夠?qū)^大表面范圍上的微塑料進(jìn)行檢測(cè)，不需要移動(dòng)樣品載物臺(tái)即可進(jìn)行紅外光譜的采集，并且能夠在保證原有空間分辨率情況下達(dá)到較快的檢測(cè)速度[63]。相較于傳統(tǒng)的mapping方式，采用FPA檢測(cè)器，不僅采集效率大大提高，而且使得非均勻樣品、不平整樣品表面的微區(qū)無(wú)損測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)對(duì)樣品厚度不敏感,并且不受濾膜和雜質(zhì)的干擾，是目前準(zhǔn)確定性環(huán)境微塑料的理想模式。

2.3 拉曼光譜

通過(guò)將激光束打在物體上，根據(jù)物體分子和原子的結(jié)構(gòu)得到不同頻率的反向散射光，拉曼光譜可得到每一個(gè)聚合物所特有的光譜圖。塑料聚合物具有特征拉曼光譜，可通過(guò)與參比譜庫(kù)比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物成分的鑒別。因此，拉曼光譜不僅能夠用于鑒定微塑料，還可以提供聚合物組成的相關(guān)信息。Lenz等[67]采用拉曼光譜對(duì)大西洋北部地區(qū)的微塑料樣品進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)該海域微塑料的高聚物組成為聚乙烯、聚丙烯等。在一些情況下，添加劑或顏料對(duì)拉曼散射的敏感程度高于聚合物基底，在檢測(cè)中會(huì)掩蓋聚合物本身的拉曼信號(hào)，這種情況可能會(huì)對(duì)聚合物類型的判定造成干擾[33,63]。另外，環(huán)境樣品中的色素、添加劑或污染物可能會(huì)產(chǎn)生熒光，而有熒光干擾時(shí)不能生成可解譯的拉曼光譜，因此拉曼法不能檢測(cè)有熒光的樣品。一般而言，較低的激發(fā)波長(zhǎng)，傳輸?shù)哪芰扛?，產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)，但也會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的熒光；反之使用較高的激發(fā)波長(zhǎng)可最小化熒光，降低干擾，但同時(shí)激光器的能量也較低，導(dǎo)致產(chǎn)生的聚合物樣品信號(hào)較弱。在微塑料鑒別分析中，需要綜合考慮熒光抑制和低信號(hào)強(qiáng)度這兩個(gè)因素，以實(shí)現(xiàn)最佳激發(fā)波長(zhǎng)下對(duì)微塑料的鑒別分析。

通過(guò)與顯微鏡結(jié)合,拉曼光譜法不僅能夠獲得表面官能團(tuán)的信息，還可以觀測(cè)到局部的微觀形貌，用于鑒定粒徑>1 μm的塑料顆粒時(shí)，空間分辨率比FT-IR高。近年來(lái)顯微拉曼光譜法已成功應(yīng)用于不同環(huán)境樣品中微塑料的鑒別[23,67-68]，還可用于生物組織內(nèi)聚合物顆粒的定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游動(dòng)物體內(nèi)微塑料的鑒別[69]。

2.4 染色法

染色法可以作為微塑料鑒定的一種替代和補(bǔ)充方法。尼羅紅(NR)能特異性結(jié)合中性脂質(zhì)，在疏水環(huán)境中具有強(qiáng)烈熒光，是高疏水性微塑料的有效染料[2]。因此，NR染色可進(jìn)行隱藏微塑料的鑒定，用于進(jìn)一步光譜分析之前的樣品前處理。將熒光過(guò)濾器安裝在FT-IR顯微鏡上，即可在熒光顯微鏡判別后立即對(duì)顆粒進(jìn)行光譜鑒定，不僅能夠減少漏判微塑料的可能性，同時(shí)還能減少使用光譜儀確認(rèn)每個(gè)塑料顆粒所需的時(shí)間。NR染色法應(yīng)用于環(huán)境樣品的主要限制是天然有機(jī)材料的共染色，因此，在NR染色之前必須除去樣品中的天然脂質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。由于還沒(méi)有可用于從環(huán)境樣品中除去塑料之外的其余有機(jī)質(zhì)的方法，因此，當(dāng)前并不推薦使用NR染色法對(duì)環(huán)境樣品中的微塑料進(jìn)行定量分析。但NR染色方法在鑒定含有粒徑小于100 μm的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)及大量無(wú)機(jī)顆?；旌系娘L(fēng)化樣品時(shí)，十分有效[70]。

2.5 熱分析技術(shù)

2.5.1 示差掃描量熱法(DSC)及熱重分析法(TGA)熱分析技術(shù)是在程序控制溫度下測(cè)量樣品的性質(zhì)隨溫度或時(shí)間變化的一類技術(shù)，該技術(shù)在定性/定量研究材料的熱性能以及穩(wěn)定性等方面應(yīng)用廣泛。其中，DSC是在程序控制溫度條件下，通過(guò)測(cè)量輸給物質(zhì)和參比物的功率差，給出其隨溫度變化的關(guān)系曲線。DSC既能定性鑒別聚合物材料又能定量測(cè)定熔點(diǎn)、比熱容、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、純度、結(jié)晶度等參數(shù)。通過(guò)與參考材料對(duì)比，DSC可用于鑒定特定初級(jí)微塑料，例如聚乙烯微珠[71]；但在檢測(cè)含有多種不同類型聚合物的環(huán)境樣品時(shí)需要參考材料來(lái)識(shí)別聚合物的類型。TGA是在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。TGA與DSC相結(jié)合，可用于聚乙烯和聚丙烯的鑒定，但由于相轉(zhuǎn)變信號(hào)重疊的問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法鑒定聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、聚醚砜(PES)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)[72]。DSC和TGA在實(shí)際的材料分析中經(jīng)常與其他分析方法聯(lián)用，通過(guò)綜合分析，全面準(zhǔn)確分析材料特性。DSC與裂解氣相色譜-質(zhì)譜(Py/GC-MS)聯(lián)用，在升溫裂解高聚物的同時(shí)，利用DSC檢測(cè)樣品池重量隨溫度的變化情況，能夠有效區(qū)分不同組分的塑料，同時(shí)進(jìn)行定性定量分析。而將TGA與FT-IR相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)樣品的質(zhì)量損失和熱解物質(zhì)的紅外信號(hào)，由于特征信號(hào)的強(qiáng)度與聚合物的熱分解過(guò)程有關(guān)，進(jìn)而該法可以識(shí)別聚合物[73]。Dümichen等[74]將TGA與固相萃取(SPE)結(jié)合，再進(jìn)一步與熱解吸/氣相色譜-質(zhì)譜(TDS/GC-MS)聯(lián)用，充分利用TGA可以檢測(cè)大尺寸樣品的優(yōu)勢(shì)和GC-MS的更高分辨率，定量鑒定了土壤樣品和貽貝樣品中的PE，同時(shí)還對(duì)PP、PS以及聚合物的混合物進(jìn)行了鑒定。

2.5.2 裂解氣相色譜-質(zhì)譜法(Py/GC-MS)Py/GC-MS是另一種利用熱分析檢測(cè)聚合物的方法，在高分子和有機(jī)大分子分析鑒定中得到了廣泛應(yīng)用[75-76]。其原理是首先將樣品在嚴(yán)格控制的環(huán)境下加熱，目標(biāo)化合物在加熱的過(guò)程中逐漸熱解析或熱裂解，成為可揮發(fā)的小分子化合物，這些小分子通過(guò)氣相色譜分離后，由質(zhì)譜進(jìn)行分析鑒定，最后根據(jù)裂解化合物的定性、定量數(shù)據(jù)反推樣品的結(jié)構(gòu)和組成。Dekiff 等[77]采用該技術(shù)對(duì)采自Norderney北部海島沙灘的樣品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)樣品中微塑料的高聚物組分主要為聚乙烯、聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯等。Fabbri[78]利用Py/GC-MS對(duì)沉積物和懸浮固體顆粒物進(jìn)行批量分析，結(jié)果在顆粒物中不僅發(fā)現(xiàn)了PVC、PS、聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和丁苯橡膠(SBR)，而且還確定了沉積物樣品中潛在的塑料顆粒，如PE、PP、PVC、PA、PET和氯化或氯磺聚乙烯。由于不同的聚合物可能產(chǎn)生相似的熱裂解產(chǎn)物，故 Py/GC-MS 法在推斷樣品的結(jié)構(gòu)和組成時(shí)存在誤判風(fēng)險(xiǎn)。

熱分析法與其他分析方法的聯(lián)用，不僅提高了目標(biāo)組分的檢出靈敏度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜基底環(huán)境樣品的批量分析，這種方式能夠以重量為單位(質(zhì)量/質(zhì)量)給出總體的微塑料濃度數(shù)據(jù)；但批量分析無(wú)法提供被檢測(cè)微塑料的數(shù)量、尺寸和形狀有關(guān)的信息，僅可作為輔助手段用于微塑料鑒別。

2.6 掃描電子顯微鏡及能譜儀

除上述方法之外，一些研究中使用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品中的微塑料進(jìn)行檢測(cè)[59，79-80]。掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)組成進(jìn)行微觀成像，能夠在清晰和高度放大倍數(shù)的條件下提供類塑料顆粒的表面特性圖像，為區(qū)分微塑料和其它有機(jī)物顆粒提供了便利。但這種方法只能獲得物質(zhì)表面形態(tài)的圖像，還需結(jié)合塑料顆粒的表面特性以及元素分析對(duì)微塑料進(jìn)行鑒定；而X光微區(qū)分析(EDS)可通過(guò)X射線照射,得到材料的X射線光電子能譜,進(jìn)而獲取其元素組成信息[59]。Eriksen等[80]使用SEM-EDS法定性分析了微塑料的成分,并判斷出微塑料的污染源。因此現(xiàn)行微塑料SEM分析方法，常聯(lián)合EDS分析元素組成信息，以在對(duì)表面形態(tài)進(jìn)行表征的同時(shí)，獲取微塑料的元素組成信息。

3 微塑料分析鑒別技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

目視鑒別作為微塑料分析鑒定的一種常用方法，其操作簡(jiǎn)單、快速，對(duì)操作人員要求不高。目檢法往往要求所鑒定的物質(zhì)尺寸較大，但環(huán)境中的微塑料尺寸小、種類多，且常被雜質(zhì)組分包覆，由于許多雜質(zhì)組分與微塑料顆粒的物理特征較為相似，因此直接通過(guò)目檢法往往不能提取或區(qū)分全部的微塑料，并且可能發(fā)生錯(cuò)判、漏判現(xiàn)象。研究表明，顯微鏡下的目檢鑒別對(duì)于類塑料顆粒的誤判率通常超過(guò)20%，其中的70%是對(duì)透明顆粒的誤判，所有誤判的結(jié)果都在后續(xù)的光譜分析中得到了證實(shí)[1,53,80]。

目檢法用于微塑料的估測(cè)可能存在高估或低估的問(wèn)題，采用紅外光譜、拉曼光譜代替肉眼識(shí)別塑料顆粒，可大大提高分析鑒別的準(zhǔn)確性。FT-IR法僅需通過(guò)過(guò)濾等簡(jiǎn)單的預(yù)處理操作即可直接對(duì)每一個(gè)疑似塑料的顆粒進(jìn)行圖譜分析，不僅可以獲得聚合物成分信息，而且還能避免非塑料顆粒的假陽(yáng)性結(jié)果。但對(duì)于基質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境樣品，該法的鑒定結(jié)果常受被測(cè)微塑料老化程度、樣品不均勻性等因素的干擾。Micro-FT-IR 法充分結(jié)合了顯微鏡與FT-IR的優(yōu)點(diǎn)，即在采集視場(chǎng)內(nèi)顆粒圖像的同時(shí)獲得視場(chǎng)內(nèi)每一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的紅外譜圖，再結(jié)合FPA即能滿足小粒徑微塑料檢測(cè)及區(qū)域范圍檢測(cè)的要求；但該法也有其局限性，例如鑒定的微塑料易受老化等因素的影響，不適合表面粗糙的微塑料鑒定研究，而環(huán)境中的微塑料表面大多被中度或重度風(fēng)化，具有不同程度的粗糙性，且可能復(fù)合了其它的材料導(dǎo)致形態(tài)和成分復(fù)雜，若使用ATR探針對(duì)每一個(gè)疑似塑料的顆粒進(jìn)行檢測(cè)非常耗時(shí)。

拉曼光譜法不僅可以獲得微塑料表面官能團(tuán)信息，還能觀察其局部的微觀形貌。拉曼光譜法最大的問(wèn)題在于樣品帶有的熒光對(duì)拉曼光譜信號(hào)存在影響。Kappler等[81]對(duì)拉曼和紅外光譜儀鑒定微塑料的能力進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)于尺寸較大的微塑料樣品的鑒定，兩者均可行；但兩種儀器在一些關(guān)鍵步驟上的差異需要在對(duì)圖譜的解讀過(guò)程中有所區(qū)別，如紅外通常能夠針對(duì)聚合物的信息給出直接的鑒定結(jié)果，但是對(duì)于其中的添加劑，尤其是微量的添加劑則比較難以測(cè)量；另外，圖譜的形狀和質(zhì)量很大程度上取決于樣品表面的折射率，對(duì)于黑色的含有大量炭黑成分的顆粒，紅外無(wú)法給出鑒定結(jié)果。與紅外相比，拉曼光譜的激光光束較小，空間分辨率高，能夠檢測(cè)到尺寸小至幾微米的微塑料[69]。

熱分析法與紅外、拉曼等光譜分析法存在較大不同：其一，光譜法不會(huì)對(duì)樣品造成損壞，它們通過(guò)激發(fā)特定官能團(tuán)的振動(dòng)來(lái)表征樣品的信息，但是處理過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)；熱分析法則具有樣品用量小，無(wú)需前處理，可直接進(jìn)樣等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)待測(cè)樣品加熱后的分解產(chǎn)物來(lái)鑒別微塑料成分，可以同時(shí)識(shí)別聚合物類型和添加劑。其二，光譜法與光學(xué)顯微鏡耦合，如顯微紅外和顯微拉曼可得到顆粒的大小和數(shù)量信息；但Py/GC-MS只能得出聚合物的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不能得到微塑料的數(shù)量和粒徑分布信息。

綜上所述，每一種微塑料的鑒別方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)(表2)。環(huán)境中的微塑料鑒別分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作,使用單一的分析技術(shù)得到的結(jié)果并非十分可靠。相較于具有破壞性的熱分析技術(shù)，原位非破壞性的紅外光譜、拉曼光譜等技術(shù)在微塑料研究工作中受到更多的關(guān)注，原因是環(huán)境中微塑料豐度低，提取的樣品量受到限制，非破壞性的分析鑒別方法可以滿足在較少樣品量的情況下，進(jìn)行多途徑分析，獲得不同的分析參數(shù)。因此在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)研究目的和樣品組分的特點(diǎn)，選擇一種或幾種分析技術(shù)相結(jié)合，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的定性定量分析。

表2 微塑料分析鑒別方法比較Table 2 Comparison of identification methods of microplastics

4 展 望

目前，微塑料的研究進(jìn)展迅速，關(guān)注的領(lǐng)域主要集中在微塑料在不同環(huán)境(海洋、沉積物、土壤)介質(zhì)中的含量、分布特征，生物攝食微塑料后的累積及其毒理效應(yīng)，微塑料對(duì)持久性有機(jī)污染物的富集機(jī)制等方面。盡管關(guān)于微塑料的研究取得了一定的進(jìn)展，但由于微塑料本身的多樣化，加之環(huán)境介質(zhì)的異質(zhì)化、復(fù)雜化，目前在微塑料的量化鑒別工作中時(shí)仍存在許多亟待解決的問(wèn)題。

4.1 微塑料鑒別標(biāo)準(zhǔn)方法缺乏

(1)在海水分析中盡管已有地方標(biāo)準(zhǔn)《海水中微塑料的測(cè)定 傅立葉變換顯微紅外光譜法》[82]和《海洋微塑料監(jiān)測(cè)規(guī)程(試行)》，但僅適用海水基質(zhì)中的微塑料分析。目前淡水中微塑料的測(cè)定參照海水標(biāo)準(zhǔn)，但海水與陸域淡水存在諸多差異，不同水體中微塑料的分離和鑒定尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法。

(2)相對(duì)于水體系統(tǒng)，土壤中的微塑料來(lái)源更加豐富。當(dāng)前，土壤中微塑料的分離主要是借鑒沉積物中微塑料分離和鑒定的相關(guān)方法[83-85]，但由于受到土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響，該類方法用于土壤中微塑料的分離和鑒定時(shí)仍存在較多的局限性[1]。因此，有必要針對(duì)不同性質(zhì)土壤開(kāi)展不同類型微塑料的分離與鑒定的方法學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)化研究。

(3)空氣中的微塑料類型多樣，且可在一定的條件下隨空氣中的浮塵、飛灰及動(dòng)植物碎屑等一起沉降在陸地或海洋[35-36]，環(huán)境空氣中的微塑料對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康存在較大的潛在威脅，因此有必要開(kāi)展環(huán)境空氣中微塑料的富集、分離與鑒定的標(biāo)準(zhǔn)方法研究，為進(jìn)一步研究微塑料在大氣環(huán)境中的分布、積累和環(huán)境行為奠定基礎(chǔ)。

4.2 微塑料結(jié)合其他痕量污染物的檢測(cè)技術(shù)

微塑料既是環(huán)境污染物的來(lái)源，也是有毒物質(zhì)的傳播載體。目前關(guān)于微塑料和環(huán)境中其它痕量污染物的研究越來(lái)越多，但微塑料結(jié)合其他痕量污染物的復(fù)合毒理效應(yīng)尚未可知。微塑料結(jié)合痕量污染物后會(huì)發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化，因此研究微塑料結(jié)合其他痕量污染物的檢測(cè)技術(shù)，可為評(píng)估微塑料及其復(fù)合污染物對(duì)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈和人體健康的風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐；微塑料結(jié)合其他痕量污染物的測(cè)定方法，也將是未來(lái)微塑料分析的一個(gè)研究方向。