专家视点 | 海洋微塑料检测技术研究进展 - 海洋微塑料研究机构

2 `( k& E+ t* V* [2 V1 H6 i

* a3 E, `% C: l

作者：王俊豪，梁荣宁，秦伟

环境中微塑料的识别和检测方兴未艾，准确可靠、简便高效的分析方法对微塑料的检测至关重要。目前，微塑料检测通常包括尺寸形貌表征及化学元素组成的分析。1～5 mm范围内的微塑料可以通过裸眼进行筛选，尺寸为微米级的则需要借助显微镜进行观察。由于某些类似微塑料物体特征模糊，使得很难仅通过目视分析准确识别微塑料，因此需要借助其他手段，如光谱、质谱、热分析等方法进一步表征。尺寸、形状、颜色、聚合物类型等因素使得微塑料的准确识别阻力重重，难以得出一致通用的分析方法。为了向微塑料污染研究者提供更好的借鉴和参考，本文系统综述了目前应用较广泛的微塑料分析技术和手段，其中首先总结了微塑料样品采集及预处理方法，并进一步介绍了微塑料目前主流的检测技术，如直接目视分析法、光谱法（如傅立叶变换红外光谱法和拉曼光谱法）、热分析法以及其他分析方法（如质谱法以及扫描电子显微镜-能谱仪联用法）等（如图1所示），简要评价了目前这些检测方法的优点和局限性，以期为微塑料检测技术的发展做出一定的贡献。 # R) {: Q! I4 h

图1 微塑料检测技术示意图一微塑料样本取样及样品处理目前，海洋中微塑料的研究对象主要是海水水体、沉积物及海洋生物体，针对这三类样品微塑料样品的取样及样品处理步骤主要分为三步，包括取样、分离以及消解。1.取样微塑料在海水中的分布由多种条件决定，如密度、形状、尺寸、吸附的化学与生物物质以及风、浪的作用等。海水表面微塑料的丰度要比水深1～2 m时要高，取样时需考虑深度的影响。取水样可使用拖网、筛和泵等多种工具，就目前研究来看，多数使用拖网。拖网的优点在于能够收集大量体积的水，并将微塑料集中在一起。微塑料在沉积物中分布不均匀，易受环境因素的影响，在取样时应保证随机性，从而使得取样具有代表性。沉积物取样一般是在潮间带及潮下带，使用不锈钢匙或铲、岩芯取样器以及抓斗式采泥器。取样量一般在0.5 kg以上，有的研究取样也可达10 kg，取样深度一般是表面至5 cm深处。2.分离将微塑料从样品中分离出来一般采用过滤、筛分及密度分离法。过滤或筛分是从水样中分离微塑料最常用的方法，过滤器的孔径与筛子的目数决定了检测微塑料的最低粒径。但如果孔径与目数过小，会使得有机物等杂质堵塞装置。大多数研究使用的孔径与目数均不相同，尺寸变化范围较大，尚未有统一的标准方案。从沉积物样品中分离微塑料时，可先将沉积物样品进行筛分预处理，然后进行密度分离法操作。3.消解水样和沉积物样品中通常含有机物和生物物质，影响分析结果，须设法将其去除。常用方法有酸消解、碱消解以及氧化还原消解等。目前对于生物体中微塑料的研究主要集中在动物的消化道。常取样的动物有鱼、海龟及海鸟。二目测分析法现阶段，研究人员大多采用目视分析法对样品中微塑料进行计数。使用该法量化微塑料时，首先将海水或沉积物通过滤膜过滤分离微塑料，将过滤后滤膜采用裸眼或显微镜观察，根据滤膜上微塑料的形状、尺寸和颜色对其进行分类并计数，然后采用仪器分析方法（光谱分析、热分析、质谱分析等）对筛选出的微塑料进行进一步确认，以最终确定初始样品中微塑料数量。裸眼可以根据颜色、形状对尺寸较大的样品进行分类，但难以分析微米级的样品。光学显微镜除了能够得到样品的颜色和形状外还能够得到其表面纹理或结构信息，而且也能够分析微米级的样品。虽然裸眼和显微镜能够简单直观地对样品进行分析，但是两者仅能通过外观形貌模糊地识别微塑料，无法得到样品的组成信息，这样难免会产生假阳性或假阴性信号，而且对于两种外观相似的微塑料也难以辨别其类型。目视分析法在尺寸和形貌表征方面有其独到的优点，但是无法准确地从样品中甄别出微塑料，目前显微鉴别类似微塑料样品的误判率通常超过20%，所以需要与其他分析技术（如光谱）联用才能事半功倍。三光谱分析法1.傅立叶变换红外光谱法傅立叶变换红外光谱（FT-IR）法具有不破坏样品、预处理简单等优点，被广泛用于微塑料的定性检测与成分分析，其优势是能够确定聚合物的类型。FT-IR法有反射和透射两种模式，两者均可用于微塑料的检测。透射模式能够提供高质量光谱，但需要红外滤光片，而反射模式可以快速分析一定厚度和不透明的样品，较适合检测环境样品中的微塑料，因此可以根据不同的需求灵活地选取操作模式对特定的样品进行分析。研究表明，微塑料在环境中的老化以及表面遭受污染会导致其难以被检测识别。此种情况下，如果对其进行处理再检测则耗时费力，极不方便，因此开发高效检测老化严重微塑料的方法至关重要。近年来，基于焦平面阵列（FPA）的FT-IR在微塑料检测领域越来越受到关注。相比FT-IR只能对微塑料碎片或颗粒逐一分析，FPA-FT-IR能够大面积的检测微塑料，效率极大提高。2.拉曼光谱法拉曼光谱（Raman）法是一种基于光的非弹性散射的振动光谱技术，由于在检测微塑料方面具有如无破坏性、低样品量测试、高通量筛选和环境友好性等显著优势，因此迅速受到研究者青睐。当激发光照射到样品上时，由于分子的振动而使激发光发生非弹性散射并产生拉曼位移，从而得到物质的特征拉曼光谱。激发波长越短，拉曼光谱的空间分辨率越高，所以在检测微塑料时激发光的波长选择紫外-可见波段可使分辨率提高到微米级别，但是这样会使荧光干扰加强，致使荧光信号峰与拉曼峰重叠。如果微塑料表面老化或者受到生物污损，拉曼测试时容易产生荧光干扰。此外，由于部分物质红外活性和拉曼活性互斥，即有红外活性则无拉曼活性，反之亦然，故红外光谱和拉曼光谱在检测微塑料时或许可以相互补充。与FT-IR法相比，Raman法显示出更好的空间分辨率（低至1μm，而FT-IR为10～20μm),K覿ppler等（2016）将FT-IR法与Raman法进行对比，发现Raman法在检测尺寸较小的微塑料方面更胜一筹，可以检测到5μm左右。虽然两者在检测20μm以上的微塑料时性能相近，但是FT-IR检测11～20μm范围内的微塑料时却有40%的误差，5～10μm范围内的微塑料几乎检测不到。而且，Raman法具有更宽的光谱覆盖范围，对非极性官能团具有更好的响应性，不受水分子的干扰以及具有更窄的光谱带。然而，Raman法测量技术也具有一定的不足，如测量时间相对较长、易产生荧光干扰以及信噪比低等，此外由于该方法使用激光作为光源会导致背景发射并伴随聚合物降解。需要指出的是，目前在识别检测微塑料方面，Raman法远不如FT-IR法使用普遍，鉴于此，诸多研究者提出了新的改进措施以提高Raman法的利用率。Raman法的深入研究将对微塑料检测领域产生巨大的影响，结合空间分辨率更高的显微镜可以绘制整个样品区域从而快速确定微塑料的尺寸，结合先进的计算机算法对微塑料进行准确的计数以及聚合物类型的识别。另外，微型拉曼光谱仪的发展也是未来重要的研究方向。四热分析法目前，检测微塑料常用的技术除光谱分析法之外还有热分析法，如热重分析-差示扫描量热（TGA-DSC）法、热解气相色谱-质谱（Py-GC-MS）法和热萃取解吸气相色谱-质谱（TED-GC-MS）法。不同聚合物在热稳定性方面存在差异，TGA-DSC基于测定聚合物在固-液相转变过程中的热量差与温度的关系来判断聚合物的类型，而Py-GC-MS法与TED-GC-MS法通过对微塑料的热降解产物进行分析从而判断其种类，将峰面积与同位素标记的内标进行比较来实现微塑料的定量。与光谱方法相比，热分析方法对样品具有破坏性，且仅能够进行化学表征，无法得到微塑料的形貌、尺寸及数量统计。因此，需要对热分析方法不断完善和优化，使其成为高效并广泛应用检测微塑料的技术。五其他分析法1.质谱法质谱法（MS）检测聚合物的优势在于能够给出结构、分子量、聚合度、官能团以及端基结构等信息，通常结合其他技术联用来检测环境中的微塑料。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）是基于离子碎片的质量电荷之比与离子碎片的飞行时间成正比的原理来检测目标分析物。近年来MALDI-TOF MS在测定生物大分子领域应用广泛，而检测环境中的微塑料则报道较少。2.扫描电子显微镜-能谱仪联用法扫描电子显微镜（SEM）比光学显微镜的分辨率高，能使物体的成像更加清晰，但是SEM法无法分辨出样品的颜色，且使用SEM仅能得到被测样品的形貌特征而无法得知其元素组成，故在检测微塑料时多与能谱仪（EDS）联用。使用SEM识别微塑料可以得到其超清晰和高倍率的图像，有助于区分微塑料与其他细小的颗粒样品，当与EDS联用时，能够得到微塑料的形貌和元素组成，从而将碳元素为主体的微塑料从无机颗粒中辨别出来。然而，SEM-EDS法也有一定的局限性，如样品制备步骤费力且较昂贵，对于所有样品的充分检查相当耗时，限制了一定时间内可以分析的微塑料的数量，从而导致工作效率较低。此外，样品的颜色不能用作SEM-EDS法分析中的标识，故此技术多用于分析特定的微塑料。目前，需要指出的是，单用一种方法检测微塑料容易受假阳性或假阴性信号的干扰从而使检测准确度较低，所以在鉴别过程中需要应用不同的和互补的方法来对疑似微塑料的样品进行分类检查。六结论与展望微塑料的检测分析有两个关键因素，一是物理特性即尺寸、形状和颜色，另一个为化学特性即聚合物类型。理论上可用于测量两者的方法均适用于微塑料分析，但是由于疑似微塑料样品的干扰，使得仅用一种分析方法难以准确的识别微塑料，为了提高准确度以及检测效率，多组合采用几种分析方法来对其进行检测。光学显微镜在微塑料的形貌表征过程中是不可或缺的工具，尤其是立体显微镜更是发挥着显著的作用。但是当分析样品的尺寸为微纳米级时，仅凭借光学显微镜来分析难免会产生误差，这就需要借助其他仪器分析。仪器分析的主要目的是对微塑料进行进一步验证，以及判断其聚合物的种类，检测准确率以及谱图匹配程度决定了聚合物种类的准确率。就目前已报道的研究来看，光谱分析法（FT-IR、Raman）和热分析法（Py-GC-MS、TED-GC-MS）应用于微塑料的检测频率最高。FT-IR法操作简便，是聚合物类型分析的不二之选，但是微塑料在环境中风化侵蚀严重以及大部分合成塑料的成分并不单一，所以仅分析谱图对聚合物归类会有一定的困难。若能够建立聚合物的标准红外谱图数据库，利用计算机软件将测量结果与标准谱图相比对，则会提高检测准确度以及效率。Raman法作为一种无损、灵敏的分析技术在微塑料的识别中应用颇多，其对非极性官能团具有更高灵敏度，且不易受水分子干扰，对微米尺寸的微塑料也有很高的识别度。但是，Raman法信噪比较低，易受荧光干扰，不如FT-IR法应用广泛，目前Raman法需要经过不断地研究改进才能在微塑料检测领域发挥其巨大的潜力。由于不同聚合物在热稳定性方面存在差异，热分析法根据其在固-液相转变过程中的热量差与温度的关系或加热过程中的降解产物来判断聚合物的类型。虽说热分析法具有破坏性且无法对微塑料的形貌进行表征，但是该法能够很好地判断聚合物的类型，准确度也较高。质谱法在微塑料检测领域也有应用，但是样品处理过程较麻烦，限制了其快速高效的利用。SEM-EDS法能够同时得到微塑料的形貌以及化学组成，且对于尺寸更小的样品也能给出超清晰的图像，但是该法的样品制备成本较高，不适于大批量的检测。为了更加清晰地展现目前已发展微塑料检测方法的优缺点，以便于研究者更加方便的选择与使用不同的检测方法，本文就已经用于微塑料检测的分析方法的优缺点进行了汇总与比较，详见表1。表1 常用微塑料检测方法的优缺点

可以看出，目前已有的微塑料检测方法各有利弊，很难选择单一方法对微塑料形态、尺寸、种类等多个参数进行准确测定，比较可行的准确鉴定微塑料方法是多种分析方法的有机组合，其目的是为了准确测定微塑料的物理化学特性。其中，最常用的组合是先镜检然后光谱测定，如目视法和FT-IR法组合，即利用裸眼或显微镜根据形状、颜色将微塑料进行分类，然后利用FT-IR确定聚合物的类型；或者是目视分析与Raman的组合。上述两种组合是目前检测微塑料的主流方法。现阶段，尺寸较大的微塑料检测相对较易，然而，随着其尺寸的减小，识别变得越来越耗时。在评估微塑料对生态环境和人类健康的风险时，越来越需要对微米甚至纳米尺寸的微塑料进行快速准确的分析，这就需要不断改进现有的方法以及开发新的技术来检测和量化环境样品中的微塑料，以不断优化检测时间和效率。微塑料的全自动或半自动的仪器分析结合图像分析能够同时获得微塑料的物理和化学特性，这可能是未来微塑料快速准确检测的一个重要研究方向。

海洋科普丨海洋微塑料：海洋中的“PM2.5”

专家视点 | 李道季：应对海洋微塑料污染的中国行动

专家视点 | 海洋微塑料污染研究进展

智库观点 | 自然资源部党组成员、国家海洋局局长王宏 ：“海洋微塑料研讨会”主旨演讲

% t# T/ m" E" C4 P. _7 ~0 B0 }

海洋生态丨海洋微塑料如何治理？2018亚太经合组织（APEC）海洋垃圾防治创新途径研讨会在北京举办

文章来源：节选自《海洋微塑料检测技术研究进展》，原刊于《海洋通报》2019年06期

作者：王俊豪，中国科学院烟台海岸带可持续发展研究所；梁荣宁，中国科学院烟台海岸带可持续发展研究所研究员；秦伟，中国科学院烟台海岸带可持续发展研究所研究员

' T. h! X' H# l3 H7 F

点击“阅读原文”查看中心网站手机版 ) A }$ P: k+ |$ e! [ ) S; `0 f9 t& E U$ L& O : `- u2 s; v4 o