水環(huán)境中微塑料檢測實驗室建設研究

孫 銘，王 嘉

（1. 江西省生態(tài)環(huán)境科學研究與規(guī)劃院，江西 南昌，330039；2. 江西省水利科學院，江西 南昌，330029）

0 引言

2020 年在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出“重視新污染物治理”[1]。微塑料是一種新污染物，指粒徑小于5mm 的塑料碎片、顆?；蛘弑∧ぃ饕伤芰现破放湃胨h(huán)境或塑料垃圾經(jīng)過分解產(chǎn)生[2，3]。

微塑料污染的環(huán)境與健康風險防控已在世界范圍內(nèi)廣泛開展，各國尤其是發(fā)達國家逐漸建立了微塑料調(diào)查與監(jiān)測制度，開展了監(jiān)測與評估，構(gòu)建了監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺[4]，微塑料領(lǐng)域科研工作的首要工作就是檢測數(shù)據(jù)的獲取，有大量的論文對環(huán)境中微塑料檢測技術(shù)進行了歸納與總結(jié)。但是，水環(huán)境中微塑料的研究不僅涉及檢測，還包括采集、前處理、檢測、質(zhì)量控制等流程，建設一個規(guī)范化全流程的微塑料檢測實驗室是落實檢測技術(shù)的不可或缺的硬件條件。本文根據(jù)微塑料樣品采集、前處理、檢測、質(zhì)量控制等多個環(huán)節(jié)提出相對應的檢測設備和這些核心設備的安裝關(guān)鍵條件，為微塑料檢測實驗室的規(guī)范化建設提供參考。

目前國內(nèi)外沒有統(tǒng)一微塑料標準檢測方法，除我國遼寧省出臺了“DB21/T 2751-2017 海水中微塑料的測定傅立葉變換顯微紅外光譜法”，適用于海水中微塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚對苯二甲酸乙二酯等七類物資）的識別和測定外，各檢測方法暫時均停留在實驗室科研階段，但是各發(fā)達國家正大力推動標準化的分析解決方案、方法和實踐。當前微塑料檢測方法主要有目視觀察法、顯微拉曼光譜法、電子掃描顯微鏡法、傅里葉變換紅外光譜法、熱裂解—氣質(zhì)聯(lián)用法以及激光直接紅外光譜檢測法等，這些方法的檢測效率、分辨率、濃度（豐度結(jié)果）、顆粒計數(shù)/粒徑分布的計算方式、微塑料中添加劑檢測能力、核心設備費用等的對比情況詳見表1。

表1 不同的微塑料檢測方法對比

1 微塑料水樣采集工具

水環(huán)境中微塑料的采樣是進行微塑料檢測的第一步，實驗室應合理配備齊全的涉及微塑料科研樣品的收集裝置。

1.1 采樣器的選擇

水環(huán)境中微塑料污染的研究，主要的采樣工作為采集水生生物類和直接采集水樣。

采集水生生物類時，主要分為采集浮游生物和常規(guī)魚類。水環(huán)境中的微塑料常通過粘附、包裹在生物體內(nèi)，需要通過濃縮樣本法采集水體中的浮游生物，常用的有蝠鲼網(wǎng)、浮游生物網(wǎng)[5]；而采集魚類等大型水生生物，準備好常規(guī)的漁網(wǎng)即可。

直接采集水樣時，我們常用的水質(zhì)采樣器的材料有有機玻璃和不銹鋼兩種。為避免塑料的干擾，應采用不銹鋼材料的水質(zhì)采樣器。常規(guī)的水質(zhì)采樣器易于收集樣品，樣品大小齊全，可用于收集樣品量較小的水樣。對于采集空間分布是高度可變的、大體積的水樣，需配備移動式水泵，采集樣品過程中要避免汽油泄漏或電池漏液等對水體造成污染[6]。

1.2 采樣的安全保障措施

水環(huán)境采集過程中，需穿救生衣、浮力氣囊等救生裝置，防止人員落水。在存在血吸蟲的水域，如江西的鄱陽湖水域，應嚴格佩戴橡膠水套，避免水樣與人體直接接觸。

綜上所述，微塑料實驗室需一個采樣設備間，儲備浮游生物網(wǎng)、蝠鲼網(wǎng)、不銹鋼材料的水質(zhì)采樣器、移動式抽水泵、漁網(wǎng)、救生衣、浮力氣囊等若干套作為采樣設備。

2 樣品的前處理

2.1 樣品的消解

為使微塑料從生物組織中充分游離出來，需要根據(jù)樣本種類和科研目的的不同選擇強堿、強酸、氧化或酶消解[7]。其中常用到的消解試劑有KOH、NaOH、HCl、HNO3、HClO4、H2O2、NaClO 或蛋白酶等[8-10]，其中在實驗室建設過程中，必須根據(jù)《科研建筑設計標準》（JGJ91-2019），設置專用的消解室，消解工作在實驗操作過程中，有高溫和劇烈的化學反應，要保障好實驗人員的安全，配置好足夠的應急噴淋措施，以防試驗人員被藥品污染；建設過程中，必須根據(jù)實驗室變風量排放柜標準（JG/T 222-2007）配置排風柜，平均面風速度應達到0.5m/s，臺面應采用防腐蝕、耐高溫的陶瓷臺面。因為環(huán)氧樹脂本身為塑料的一種，會干擾微塑料的檢測，因此不能使用常見的環(huán)氧樹脂臺面。

2.2 微塑料的分離

在實際操作過程中，微塑料和水體中的各種顆粒物共存，導致通過顯微鏡不能準確識別和計算[11]，需要通過過濾法或浮選法進行分離。研究表明，因高聚物較難完全脫離沉積物，會導致微塑料的分析結(jié)果嚴重偏低[12]，當前一般采樣用過濾法來進行分離。因此，建議建設水環(huán)境微塑料的實驗室時，應至少建設兩間前處理室：一間用來開展消解工作，配備排風柜設施；一間為開展分離工作的前處理室；兩間前處理室距離應盡量短，使微塑料樣品前處理工序更便捷，減少中間過程造成的干擾。

3 微塑料檢測分析方法及儀器設備的選擇

3.1 目視觀察法相關(guān)儀器設備的選擇

目視觀察法主要為肉眼目視法及顯微鏡法。粒徑大于等于1mm 的微塑料顆粒可用肉眼快速鑒別和計數(shù)，采用適當?shù)娜旧椒軌蛱岣邫z出率及準確率[13]。當檢測飲用水等水質(zhì)較高的水時，由于其中的微塑料一般粒徑較小，需染色后使用顯微鏡進行觀察和確認，通常用的顯微鏡為采樣體視顯微鏡，顯微鏡放大了物體表面的紋理和結(jié)構(gòu)，可用于識別尺寸在100μm 以上的微塑料。有研究表明：利用普通光學顯微鏡觀測微塑料時，出錯率大于20%，如果觀測樣品為透明無色樣品，出錯率大于70%[14]，主要可能是在大氣中存在浮游菌和沉降菌，因沉降菌的粒徑較大，容易干擾微塑料顆粒的觀察，應減少其對觀測的干擾。綜合考慮實驗室建設的經(jīng)濟適用性，按照《潔凈室施工及驗收規(guī)范》（GB50591-2010）標準進行建設，根據(jù)《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》（GB50457-2008），10000 級潔凈室是適用于目視觀察實驗的。

3.2 顯微拉曼光譜法相關(guān)儀器設備的選擇

拉曼光譜作為常用的表征手段之一，其在微塑料的研究中得到廣泛應用。其原理是通過激光束落在物體上，光與材料的振動因能量交換產(chǎn)生不同頻率的散射光，從而產(chǎn)生獨特的光譜。分析拉曼散射光，從中獲得樣品的化學和結(jié)構(gòu)方面的信息，并與標準譜庫進行檢索比對，可識別微塑料的種類，是僅有的可對1～20 μm 微塑料進行高質(zhì)量無損檢測的設備，常用于對微塑料的降解階段的研究[15-16]。目前出現(xiàn)的表面增強拉曼光譜可用來分析1～100nm 之間的低密度納米塑料[17]。但當微塑料表面附著生物活性物質(zhì)、有機物質(zhì)、無機物質(zhì)時均會影響其測定效果。因此測定前需對樣品進行有效的前處理，須通過稀酸或稀堿來去除微塑料表面的干擾物質(zhì)。

拉曼光譜儀價格昂貴，對實驗室條件較為苛刻，實驗室設計布局除須要滿足《科學實驗室建筑設計規(guī)范》（JGJ91-2019）（以下簡稱《設計規(guī)范》）等標準外，揮發(fā)性的有機物會對儀器的檢測造成干擾，因此該儀器應設置專門房間放置采樣光學平臺，不能與其他有機物檢測設備置于同一個房間。同時，為方便檢測弱信號樣品，房間應做好遮光防塵措施，并通過在實驗室內(nèi)安裝恒溫恒濕空調(diào)等手段，使室內(nèi)環(huán)境常年維持在24～26℃，相對濕度小于65%。

3.3 電子掃描顯微鏡法相關(guān)儀器設備的選擇

電子掃描顯微鏡（SEM）最小分辨率可達0.1 μm。其原理是利用聚焦高能電子束掃描樣品，通過高能電子束與物質(zhì)間的相互作用，激發(fā)物質(zhì)的物理信息，通過收集信息、處理信息表征物質(zhì)微觀形貌的方法，可使用SEM 對表面形態(tài)進行鑒定。有研究表明，小于1 mm 的微塑料可能被遺漏或計數(shù)錯誤。

電子掃描顯微鏡對實驗室的環(huán)境有極高的要求，使用掃描電鏡時，樣品必須是固體、無毒、無放射性，室溫保持在15℃至30℃，濕度小于等于70%，實驗室的空間磁場應使交流磁場和直流磁場滿足安裝要求。實驗室的位置應遠離公路、鐵路、地鐵、電梯等振動源。

3.4 傅里葉變換紅外光譜法相關(guān)儀器設備的選擇

傅里葉變換紅外光譜法是當前國內(nèi)唯一有地方標準出臺的檢測方法。可用傅里葉紅外變換顯微紅外光譜儀通過MCT（mercury cadmium telluride）檢測器對濾膜上的目標物進行判別，因傅里葉紅外光譜儀檢測能夠提供樣品的特定化學鍵信息，含碳的有機物能夠通過這種方式被檢測出來；由于不同的化學鍵能夠產(chǎn)生其特有的光譜，從而將其與其它有機和無機物成分分開。再通過查聚合物譜庫，判別樣品是否為塑料以及該塑料的聚合物類型。該方法既可以定性又可以定量，是一種可對微塑料檢測的較為全面研究的儀器。

但是該種儀器對鹵代烴或鹵化物敏感，MCT 檢測器的SnZe 窗口材料對鹵化物極其敏感，而常規(guī)化學實驗室可能會產(chǎn)生這些敏感的氣體，因此安裝該儀器時應與常規(guī)化學實驗室隔開，單獨設立儀器室，保持儀器室恒溫恒濕，環(huán)境溫度要求能控制在17～27℃范圍，環(huán)境濕度應嚴格控制在60%以下，遠離水源。儀器室應盡量密閉，設置緩沖間，安裝雙層玻璃窗。傅里葉變換紅外光譜儀常需要和與氣相、熱重儀等其他儀器聯(lián)用，所以臺面應采用較硬實材料，厚度以確保臺面不會因儀器過重被壓迫變形為準，以避免影響儀器聯(lián)用的接口準直，而導致光路的偏離。

3.5 熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)用法（Pyr-GC/MS）相關(guān)儀器設備的選擇

氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC/MS）通常用來定量檢測樣品中相對應有機物含量，通過熱裂解儀（Pyr）聯(lián)用，使微塑料在嚴控溫度范圍內(nèi)加熱，使其裂解為可揮發(fā)的小分子，再經(jīng)過氣質(zhì)聯(lián)用儀分離和檢測，根據(jù)裂解產(chǎn)物推斷高聚物的組成和結(jié)構(gòu)，鑒別待測物的種類和含量，從而實現(xiàn)檢測微塑料的定量檢測[18]。但是因解析管尺寸限制，只可以檢測小于1mm 的塑料顆粒，操作流程繁瑣，耗時較長，現(xiàn)在沒有專用的微塑料熱解器，并且質(zhì)譜圖解析困難，因此該方法暫未普及和廣泛應用，可進一步研究探索[19]。

熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)用儀屬于較昂貴的精密儀器，儀器室應將溫度保持在20～27℃，相對濕度不超過80%。該套設備通常重量很大，需要有實驗臺長不小于2.5m，寬不小于0.8m，承重不小于120kg。因氣質(zhì)聯(lián)用儀須要用到高純氦氣，若有化學源（CI），需配備高純甲烷氣，沒有集中供氣系統(tǒng)的實驗室房間應留好氣瓶柜的位置，必須配上相應的、分壓表大于5kg 的減壓閥，并且安裝試漏。

3.6 激光直接紅外光譜檢測法（LDIR）相關(guān)儀器設備的選擇

激光直接紅外光譜檢測法是最近出現(xiàn)的一種方法，該方法具有檢測速度快，識別能力強的特點，能識別5μm 到100μm 幾乎所有種類的微塑料，平均8 秒鐘測試一個，是當前微塑料檢測最快的方法之一。激光直接紅外光譜檢測儀屬于較昂貴的精密儀器，儀器室應將溫度保持在20～30℃，溫度變化每小時不超過±1℃，相對濕度維持在50%至80%。該儀器應避免靠近暖氣、空調(diào)或風扇等易引起空氣擾動的設備；同時應注意遠離強磁場，距離超導磁體至少5.5m 以上，遠離高壓電站，大變壓器或大功率及高頻設備。為避免有機氣體腐蝕儀器外殼、內(nèi)部光學和電子元器件，儀器放置的環(huán)境應保證干凈、清潔，嚴格避免腐蝕性、揮發(fā)性試劑長時間接觸，如濃硫酸、氟利昂、四氯化碳等。

4 質(zhì)量控制要求

做好微塑料檢測實驗室的質(zhì)量控制，建立標準化的微塑料分析測試方法至關(guān)重要。當前上海市環(huán)境科學學會批準立項了《環(huán)境水體中的微塑料的測定傅里葉變換顯微紅外光譜法》團體標準，中國紡聯(lián)標準化技術(shù)委員會（中國紡聯(lián)標委函〔2021〕3 號）發(fā)布了關(guān)于下達21 項團體標準計劃項目的通知，其中就包括了《纖維微塑料術(shù)語、定義和分類》《纖維微塑料鑒別試驗方法》《地表水環(huán)境纖維微塑料分析測試方法》，其中，《T/CSTM 00563—2022 景觀環(huán)境用水中微塑料的測定傅里葉變換顯微紅外光譜法》已經(jīng)于2022 年2 月21 日公布，2022 年05 月21 日實施。2021 年4 月13 日，中國水利企業(yè)協(xié)會發(fā)布通知，對《地表水中微塑料的測定（征求意見稿）》征求意見，標準中涉及了顯微拉曼成像光譜法、傅立葉變換顯微紅外光譜法等。

在對微塑料進行檢測時，應在整個過程中采取嚴格的質(zhì)控措施。首先，應進行實驗全過程空白分析，主要措施是將采樣前在實驗室封裝好一樣品瓶高純水帶到采樣現(xiàn)場。采樣時，該瓶高純水應與采樣的樣品瓶同步開蓋、取水、封裝，帶回實驗室后與待測樣品進行相同的操作步驟進行試驗，以檢測從采集到分析全過程是否污染，每批樣品應至少測定一個全過程空白，如果測定結(jié)果表明過程有污染且不可忽略，應追溯污染來源并消除。在現(xiàn)場采樣中，還可通過重復采樣來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

檢測工程中，應確保檢測實驗室的規(guī)范可靠；實驗人員使用乳膠手套和棉質(zhì)實驗服，實驗設備使用鋼或玻璃設備，實驗所用耗材應盡量采取非塑料材料或盡量避免接觸塑料設備，檢測過程中應減少通風和樣品暴露時間，樣品暫存時應用鋁箔覆蓋表面以防止其與空氣接觸；檢測用工具和容器應用離子水仔細清洗。

5 結(jié)語

建設規(guī)范化的水環(huán)境微塑料檢測實驗室是開展水環(huán)境中微塑料科學研究和環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)。建設水環(huán)境微塑料檢測實驗室主要從建立檢測方法、添置采樣設備和檢測設備、做好質(zhì)量控制等三個重要方面做好相關(guān)工作。

研究單位應配置齊全的采樣設備和樣品容器，以適應不同的研究需求和采樣條件。同時，可以根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)條件以及相關(guān)研究方向選擇需要的設備，并根據(jù)儀器需要的實驗室條件進行配套，以微塑料豐度（number/L）研究為主要方向的，根據(jù)跟分辨率和檢測速度不同選擇體視顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、電子掃描顯微鏡、激光紅外成像儀以及激光直接紅外光譜檢測儀；以微塑料濃度（μg/L）研究為主要方向的，可選擇熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用儀。

微塑料的研究尚處于起步階段，目前僅有遼寧省出臺了相關(guān)檢測的標準方法，未來研究人員需思考如何開發(fā)出一種或多種可在全國推廣的的檢測方法以及開發(fā)不同濃度的微塑料標準物質(zhì)。