目前海洋微塑料及納米塑料監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

國家海洋局三沙海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 許宇江，許宇山

微塑料和納米塑料嚴(yán)重威脅了以小顆粒為食物鏈基礎(chǔ)的生物（例如浮游生物），從環(huán)境和公共衛(wèi)生的角度來看，納米塑料一旦被攝入，就會(huì)分布在不同的組織和器官中，這些納米顆粒還能夠穿過血腦屏障，對(duì)整個(gè)生物鏈影響惡劣。本文綜述納米塑料和微塑料的監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析相關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為海洋監(jiān)測(cè)工作者提供一定指導(dǎo)。

一、微塑料和納米塑料的定義

目前，業(yè)界將尺寸＜5毫米的塑料顆粒定義為微塑料，然而對(duì)于納米塑料，尺寸定義仍然是一個(gè)有爭議的話題。納米塑料被定義為至少有一個(gè)維度小于100nm的顆粒，但顆粒大小必須小于1μm。但也有建議將納米塑料分類為小于20nm的塑料顆粒，這個(gè)角度是基于這個(gè)尺寸的納米塑料和ENM對(duì)水生生物構(gòu)成的危害更大?？傊?，鑒于微塑料和納米塑料對(duì)生物的影響巨大，從而引起科研工作者的廣泛關(guān)注。

二、微塑料和納米塑料的監(jiān)測(cè)技術(shù)

（一）微塑料和納米塑料的識(shí)別和分類

分離出的微塑料和納米塑料通過肉眼或借助顯微鏡可以用于低至500μm的塑料監(jiān)測(cè)。但僅僅通過目測(cè)的方式很難直接將塑料進(jìn)行分類，進(jìn)一步結(jié)合其他方法（如光譜分析），可以更加直觀和準(zhǔn)確地觀測(cè)這些污染物。目前已有一些標(biāo)準(zhǔn)化流程出現(xiàn)，這樣可以盡可能減少監(jiān)測(cè)者的主觀性和人為錯(cuò)誤。

（二）熱降解-質(zhì)譜技術(shù)

熱降解技術(shù)，例如熱解（pyr）或熱萃取和解吸（TED），與氣相色譜聯(lián)用質(zhì)譜（GC/MS）相結(jié)合，通過破壞后獲得一系列小分子化合物，然后通過質(zhì)譜技術(shù)可以獲得熱解后產(chǎn)物的具體信息，從而獲得聚合物類型的實(shí)際信息。Pyr-GC/MS和TED-GC/MS 所需的樣品量少 （5-200μg），也不需要預(yù)處理和單獨(dú)分選。在PE、PP、PS和PA海洋微塑料中存在鄰苯二甲酸二乙基己酯、鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、苯甲醛、鄰苯二甲酸二異丁酯、鄰苯二甲酸二甲酯等在熱降解-質(zhì)譜技術(shù)中都可以直接獲得信息，可以同時(shí)識(shí)別與聚合物相關(guān)的有機(jī)物，可以直接獲得信息。從另外一個(gè)角度來說，熱降解技術(shù)不用關(guān)注分析樣品的物理特征，包括數(shù)量、顏色和尺寸，只需要樣品的質(zhì)量達(dá)到所需量就行。pyr-GC/MS僅限于少量樣品的監(jiān)測(cè)，大量樣品檢查時(shí)具有一定的局限性，因此pyr-GC/MS不適合高通量測(cè)試。雖然TED-GC/MS可以避免這些限制，可以允許使用更高的樣品質(zhì)量（比pyr-GC/MS高200倍）和相對(duì)較快的分析和質(zhì)量定量時(shí)間，對(duì)于常見的聚合物類型PE、PP、PS、PA和PET具有很好的效果，但他的缺點(diǎn)是分離材料的粒子量化和形態(tài)表征嚴(yán)重限制該方法的使用，該方法僅針對(duì)上述最常見類型的聚合物，對(duì)其他類型的聚合物（PVC、PUR或PC等）很難進(jìn)行鑒定。

（三）拉曼光譜

拉曼光譜是一種無損光譜技術(shù)，可以觀察系統(tǒng)中的低頻模式，例如旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)相互作用。這種技術(shù)簡單明了，可提供塑料的指紋結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用于識(shí)別不同環(huán)境基質(zhì)中的微塑料顆粒。

由于不同聚合物的拉曼光譜特征存在明顯區(qū)別，這種方法可以在幾分鐘內(nèi)識(shí)別出塑料顆粒。拉曼光譜可以很容易地分析出目視可分選的塑料顆粒，進(jìn)一步結(jié)合顯微鏡（拉曼顯微鏡），可以進(jìn)一步成功識(shí)別小于1μm的塑料顆粒。將拉曼顯微鏡與拉曼光譜成像等技術(shù)相結(jié)合，可以獲得具有化學(xué)空間分布的圖像，并且理論上可以對(duì)整個(gè)膜過濾器進(jìn)行高空間分辨（小于1μm）。這種結(jié)合技術(shù)可以簡化對(duì)較小顆粒的檢測(cè)和識(shí)別，但目前其對(duì)微塑料和納米塑料研究的適用性還有待商榷。

拉曼光譜與共聚焦顯微鏡技術(shù)相結(jié)合可以以亞細(xì)胞精度檢測(cè)識(shí)別細(xì)胞和組織中的塑料顆粒。結(jié)合原子力顯微鏡（AFM），在接觸和非接觸模式下操作AFM，拉曼還可以識(shí)別納米塑料。然而，這種技術(shù)相對(duì)操作困難且費(fèi)時(shí)，因?yàn)樵趩蝹€(gè)納米級(jí)粒子中找到和聚焦需要一定的技術(shù)和時(shí)間。此外，樣品本身具有熒光或者可以在激光下產(chǎn)生熒光，即含有有色的顏料、添加劑或生物質(zhì)的樣品會(huì)產(chǎn)生無法解釋的拉曼光譜。

（四）紅外光譜

紅外光譜，即傅立葉變換紅外光譜（FTIR），可以根據(jù)聚合物的紅外光譜準(zhǔn)確識(shí)別聚合物。拉曼光譜和FTIR光譜可以視為互補(bǔ)技術(shù)，因?yàn)榧t外非活性的分子振動(dòng)是拉曼活性的，反之亦然。簡而言之，拉曼光譜依賴于光散射和紅外吸收。與拉曼光譜一樣，塑料生成的IR光譜具有高度特異性，表現(xiàn)出不同的譜帶模式。此外，F(xiàn)TIR光譜還可以提供塑料樣品風(fēng)化有關(guān)的補(bǔ)充信息，進(jìn)而可以有效地根據(jù)氧化強(qiáng)度估計(jì)降解程度甚至生物降解程度。例如，可以通過測(cè)定羰基指數(shù)來實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)，因?yàn)轸驶男纬膳c多少與PE的氧化程度有關(guān)。借助FTIR光譜的衰減全反射（FTIR-ATR）可以輕松分析較大的塑料顆粒。

紅外光譜的測(cè)試時(shí)間較短，大多數(shù)樣品可能在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)被明確識(shí)別。在實(shí)用性方面，相對(duì)較少的樣品，例如小于100個(gè)顆粒，可直接選擇FTIR-ATR分析，相反，對(duì)于大于100個(gè)顆粒的樣本，建議應(yīng)將大于50%的樣本即總共至少有100個(gè)粒子進(jìn)行FTIR-ATR分析。通過將顯微成像與FTIR耦合，可以以高空間分辨率收集IR信號(hào)，因?yàn)楣馐叽缈赡苄≈?μm，從而對(duì)成分復(fù)雜的樣品進(jìn)行詳細(xì)表征。此外，基于焦平面陣列（FPA）的μFTIR能夠?qū)悠返目傤w粒進(jìn)行高通量分析，操作偏差或錯(cuò)誤明顯減少，這可以顯著減少成像時(shí)間，但生成的光譜數(shù)量和存儲(chǔ)容量較大，需要過多且昂貴的硬件。

（五）高光譜成像技術(shù)

最近有發(fā)現(xiàn)高光譜成像技術(shù)可以識(shí)別和表征含有單分散和多分散球形和非球形聚合物顆粒的懸浮液。對(duì)于對(duì)照樣品和真實(shí)樣品，低至300μm的顆粒使用該方法可以獲得100%和84%塑料類別識(shí)別，這種技術(shù)是一種非破壞性、非侵入性、廉價(jià)、快速和可靠的技術(shù)。高光譜成像也可以用于識(shí)別復(fù)雜基質(zhì)中的微塑料（例如土壤鐘），直接基于400nm到1000nm的波長范圍對(duì)所收集的采樣土壤進(jìn)行成像。當(dāng)采用支持向量機(jī)（SVM）算法來識(shí)別聚合物時(shí)，該技術(shù)可以以84%的精度識(shí)別尺寸范圍為1-5毫米的PE顆粒，雖然這種也可以識(shí)別較小的塑料顆粒（0.5-1毫米），但精度大約在77%左右。這種方法只能直接應(yīng)用于測(cè)定土壤表面的微塑料，無法量化和識(shí)別樣品表面下方的任何顆粒。然而，高光譜成像可獲得PE、PP和PS的初步信息，如果要考慮所有塑料聚合物類型則需要進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)。

（六）C:H:N分析儀

基于不同的聚合物具有獨(dú)特的元素組成，因此可以使用C:H:N分析儀來識(shí)別塑料顆粒。但要精確鑒別這些塑料的類型，前期需要根據(jù)密度不同分離收集到的不同密度的塑料顆粒，從而可以更加準(zhǔn)確地獲得潛在聚合物的類型。這種方法不能進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)分析并且需要大量時(shí)間，因此這種技術(shù)不適合高通量分析。此外，這種技術(shù)不適用于較小的塑料顆粒，雖然C:H:N分析儀可以揭示氮的存在和含量，也可以獲得微生物的相關(guān)信息，但氮不是合成聚合物的組成部分。

（七）分光光度計(jì)法

目前也報(bào)道了一些使用分光光度計(jì)法對(duì)微塑料進(jìn)行量化的工作。分光光度計(jì)法與紫外-可見分光光度法類似，需要使用標(biāo)準(zhǔn)的膠體懸浮液獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過獲得真實(shí)樣品的熒光測(cè)量值，進(jìn)而基于標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得懸浮顆粒的相應(yīng)濃度。但熒光光譜法不適合作為測(cè)定環(huán)境樣品中微塑料的定量分析工具，因?yàn)樗鼘?duì)很多影響因素（如pH值或溶解氧的存在）高度敏感，這些因素可能會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

（八）其他技術(shù)

納米塑料的分析、鑒定和量化仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，僅對(duì)這些顆粒進(jìn)行形態(tài)學(xué)表征是不夠的，而且還需要在納米尺度上進(jìn)行詳細(xì)的化學(xué)分析。目前仍然沒有用于檢測(cè)和量化真實(shí)環(huán)境樣品中納米塑料的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，也沒有識(shí)別和表征環(huán)境中小于100nm塑料的具體技術(shù)，因?yàn)檫@些與天然存在的納米粒子具有類似的性質(zhì)。因此，必須開發(fā)新方法來準(zhǔn)確測(cè)定環(huán)境樣品中的塑料顆粒。

電子顯微鏡與能量色散X射線光譜（SEM-EDS或SEM-EDS）相結(jié)合是目前使用最廣泛的表面分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 50pm（5.0×10-5μm） 的空間分辨率。除了產(chǎn)生低能量的二次電子外，電子轟擊樣品還會(huì)形成背散射電子和X射線。這些背散射電子的強(qiáng)度可以與采樣區(qū)域/體積中特定元素的原子序數(shù)相關(guān)聯(lián)，從而可以獲得一定程度的定性信息。然而，這種技術(shù)有明顯具有一定的局限性。電子顯微鏡的購買和維護(hù)成本很高，有些需要非常穩(wěn)定的建筑物（通常是地下，有微小的震動(dòng)也會(huì)影響監(jiān)測(cè)效果）和特殊條件（例如磁場(chǎng)消除）。此外，盡管分辨率明顯得到提高，也可以進(jìn)行非常詳細(xì)的觀察，但樣品制備和分析的周期冗長，這些缺點(diǎn)明顯影響了電子顯微鏡的使用，大范圍使用電子顯微鏡對(duì)微塑料和納米塑料進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。

最近報(bào)道了一種用于檢測(cè)水生和復(fù)雜基質(zhì)（例如食品）中納米塑料的不對(duì)稱流場(chǎng)-流動(dòng)分餾與多角度光散射耦合技術(shù)（AF4-MLS）。分餾步驟（AF4）可以分離各種聚合物，而MALS技術(shù)可以獲得尺信息。同樣，這種方法仍然存在一些局限性，包括回收率低（50nm塑料顆粒的回收率約為50%）和光散射背景高，這些限制了其檢測(cè)性能。此外，包括pH值和緩沖液的濃度都會(huì)影響該方法的性能。

三、結(jié)論

在過去幾年，塑料污染及其相關(guān)危害已經(jīng)引起了大家的廣泛關(guān)注，環(huán)境中的微塑料和納米塑料監(jiān)測(cè)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。本文對(duì)目前已報(bào)道的相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述，并對(duì)相關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行闡述。目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)還存在一定的局限性，還需要研究新的分析方法，以識(shí)別、表征和量化環(huán)境基質(zhì)中的微塑料和納米塑料以及這些材料的詳細(xì)毒性和毒代動(dòng)力學(xué)。

相關(guān)鏈接

微塑料，是一種直徑小于5毫米的塑料顆粒，是一種造成污染的主要載體。微塑料體積小，這就意味著更高的比表面積（比表面積指多孔固體物質(zhì)單位質(zhì)量所具有的表面積），比表面積越大，吸附的污染物的能力越強(qiáng)。

首先，環(huán)境中已經(jīng)存在大量的多氯聯(lián)苯、雙酚A等持久性有機(jī)污染物（這些有機(jī)污染物往往是疏水的，就是說它們不太容易溶解在水中，也不容易被水體稀釋），一旦微塑料和這些污染物相遇，正好聚集形成一個(gè)有機(jī)污染球體。微塑料相當(dāng)于成為污染物的坐騎，二者可以在環(huán)境中到處游蕩。

2004年，微塑料這一概念是在發(fā)表在Science的一篇文章（Lost at Sea：where is all the plastic？）中首次提出。且由于微塑料在海洋環(huán)境中的廣泛存在以及對(duì)生物產(chǎn)生的各種確定的以及不確定的危害，得到了各界的廣泛關(guān)注。

2007年，中國正式啟動(dòng)海洋垃圾監(jiān)測(cè)工作，2016年將海洋微塑料納入監(jiān)測(cè)范圍。

2019年，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，中國海洋表層水體漂浮垃圾平均個(gè)數(shù)為4027個(gè)/平方公里，與北大西洋沿岸等近海區(qū)域處于同一水平（低于北大西洋中部環(huán)流區(qū)熱帶區(qū)域、東北太平洋和黑潮區(qū)域）。中國渤海和東海近海海域表層水體微塑料的平均密度為0.82個(gè)/立方米和0.25個(gè)/立方米，與近年來國際同類調(diào)查結(jié)果相比，中國近海表層水體微塑料含量處于中低水平。

2020年7月，九部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于扎實(shí)推進(jìn)塑料污染治理工作的通知》，明確規(guī)定了禁限期限；二是替代使用，推廣使用非塑制品和可降解購物袋、可降解地膜等；三是加強(qiáng)回收，回收利用和處置塑料廢棄物，禁止隨意堆放、傾倒造成塑料垃圾污染，規(guī)范廢舊漁網(wǎng)漁具回收處置；四是開展清理，開展生活垃圾清理、港灣塑料垃圾清理、清潔海灘行動(dòng)。