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纳米塑料的预处理方法和分析技术

来源:化学分析计量 作者:段卫宇,王硕,曹聪,纪
发布于:2021-09-24 共8619字

  摘    要: 对近十年纳米塑料的分析方法进行综述。分别总结了样品消解、滤膜过滤、浊点萃取、加压流体萃取等纳米塑料的预处理方法,介绍了热解–气相色谱–质谱联用、热吸附解析–气相色谱–质谱、热脱附–质子转移反应–质谱、液相色谱–质谱/质谱联用、热重分析–质谱等分析方法,并对方法的优缺点进行分析。展望了未来纳米塑料分析方法的发展,该研究为纳米塑料污染的进一步研究提供参考。

  关键词 :     纳米塑料;分析方法;样品处理;

  Abstract: The analysis methods of nanoplastics in recent ten years were reviewed.The pretreatment methods of sample digestion,membrane filtration,cloud point extraction and pressurized fluid extraction were summarized.Pyrolysis gas chromatography mass spectrometry,thermal adsorption analysis gas chromatography mass spectrometry,thermal desorption proton transfer reaction mass spectrometry,liquid chromatography mass spectrometry/mass spectrometry,thermogravimetry mass spectrometry and other analytical methods were introduced,and their advantages and disadvantages were analyzed.The development of the analytical methods of nanoplastics in the future is prospected.The research provides a reference for further research on the pollution of nanoplastics.

  Keyword: nanoplastics; analysis method; sample treatment;

  塑料可塑性强、稳定性好,被广泛用于人类生活的多个领域,因其具有难生物降解性,易造成环境污染,因此塑料属于一种新型污染物,且对环境的影响越来越突出。到2060年,预计全球的塑料垃圾约有1.55~2.65亿吨[1],而自然界将这一污染清除,则需要数百年的时间。塑料通过大自然风化和紫外线照射,于环境中缓慢降解成的小颗粒。2004年,Thomson首次提出粒径小于5 mm的塑料颗粒称之为微塑料[2]。大部分学者认为粒径小于1 μm的可认为是纳米塑料[3],也有科研人员倾向于将粒径小于100 nm的称为纳米塑料[4]。目前对于纳米塑料并没有明确的定义,笔者以大多数研究的共识作为纳米塑料的定义,即粒径小于1 μm的塑料颗粒认为是纳米塑料[5]。环境中塑料污染可分为原生和次生塑料颗粒,原生塑料颗粒是直接排放到环境中的微小塑料颗粒,如为了增加摩擦效果在化妆品和牙膏中添加的塑料颗粒;次生塑料颗粒是塑料垃圾在风力、波浪等外力环境下通过物理作用,以及在紫外线等照射下,塑料中的成分发生化学反应逐步破碎分解形成的塑料颗粒,自然环境中已有越来越多的纳米塑料产生。随着环境中塑料污染物的增多,在自然条件下,次生塑料颗粒已成为不可忽视的塑料污染源之一。研究表明,环境中的塑料污染已广泛存在于水环境[6]、土壤环境[7,8]和大气环境[9]中,并且已到达地球较为偏僻的地方。2020年,Bergami[10]首次在南极隐孢子虫体内检测到了聚苯乙烯碎片,这证明塑料污染已经在南极存在,并可能已经进入了南极陆地的食物链中。由于采集方式、分析方法等诸多条件的限制,目前微塑料的研究较多,而对纳米塑料的研究相对较少。随着粒径减小,塑料颗粒的比表面积显着增加,纳米塑料对有机污染物和有毒重金属的携带作用增强,达到纳米级别的塑料已经可以在人体的大部分组织器官中转运。无论是纳米塑料,还是纳米塑料吸附的有毒物质均可能危害自然界中生物体的健康。

  目前的研究文献中大多报道微塑料颗粒,这是由于受到检测方法的制约所致,并不代表环境中纳米塑料少,有文献估计环境中纳米塑料的含量约为微塑料数量的1014倍[11]。Materic等[12]在高山雪中检测到了纳米塑料,种类包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)。这不仅证明了纳米塑料在自然界中已广泛存在,也说明纳米塑料的迁移方式可能包括大气途径。另外,由于纳米塑料粒径较小,目前广泛应用的微塑料采集和分析方法对于纳米塑料并不完全适用。如浮选法可将微塑料从泥沙中分离出来,而纳米塑料的浮力较低,尺寸较小,因此不能采用浮选法将纳米塑料从复杂的泥沙基质中分离出来[13]。目前对于环境中纳米塑料分析方法的研究综述较少,其中有的将纳米塑料与微塑料一并综述,不能突出纳米塑料分析方法的特点[14,15],有的虽然单独对纳米塑料进行了综述,但未总结纳米塑料的分离方法(前处理)和部分新开发的分析方法(如显微红外分析法和热重–气质法等)[16]。笔者概述了纳米塑料的提取分离方法,介绍了近十年开发的分析方法,并对方法的优缺点进行分析,为纳米塑料污染的进一步研究提供参考。

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  1、 纳米塑料的预处理方法

  1.1、 样品消解

  自然环境中的纳米塑料大多包含在较丰富的生物质中,即使是淡水中的纳米塑料表面也常覆有一层生物膜,这样增加了纳米塑料的识别难度,因此在分析前需要对纳米塑料进行预处理,去除纳米塑料上的有机物。环境中的微塑料也面临上述同样问题,因此微塑料的纯化方法也可用于纳米塑料的纯化,一般常用的纯化方法主要有酶分解法和化学分解法。

  1.1.1、 酶分解法

  酶分解法是在复杂环境样品中纯化塑料颗粒的有效方法,对基质的分解较为彻底,不会对塑料造成破坏,也不会造成环境污染。Cole等[17]采用优化的酶分解程序,将富含浮游生物的海水样品中97%以上的基质高效酶解。Karlsson等[18]采用蛋白酶K对贻贝中的微塑料进行有效分离,微塑料的回收率可达97%,而且并未发现该法对微塑料有明显的破坏现象。酶分解法的主要缺点是价格较高,也有采用价格较低的酶分解处理的文献报道。Courtene-Jones等[19]采用胰蛋白酶处理样品,取得了较好的效果,胰蛋白酶在较低浓度(0.312?5%)下产生较大的消化效率(88%±2.52%),该方法对微塑料没有显着破坏。对于不同类型的有机物,采用不同的酶可以增加分解效果,酶消化和双氧水的协同处理可以提高消化效率,但是酶分解法的处理过程复杂,处理时间相对较长,费用相对较高,因此限制了这种方法的广泛使用。

  1.1.2、 化学分解法

  化学分解法采用强酸、强碱和氧化剂等化学物质对样品进行前处理,通过消解去除样品中塑料颗粒上的生物质。越来越多的报道致力于研究化学物质的消解率,同时也越来越关注该处理方式对目标物(塑料颗粒)的损坏情况。Cole等[17]采用盐酸和硝酸等强酸联合SDS(十二烷基磺酸钠)对海水中采集的样品进行处理,结果表明该法对样品中有机质前处理效果并不好。Prata等[20]对植物组织、动物组织、油和石蜡等分别用硝酸和SDS处理,于50 ℃孵育1 h,分别消解40%和30%,结果略优于对照组。用强碱或氧化剂进行样品前处理的消解率优于用强酸的消解率,提高浓度和孵育温度可以提高消解率。采用H2O2+Fe和KOH于50 ℃对样品处理1 h的消解率分别为65.9%和58.3%。H2O2+Fe更适于处理植物组织,而KOH更适于处理动物组织[20]。以NaOH于60 ℃处理样品24 h,样品中的天然浮游生物消解率可达91.3%,但在这一过程中尼龙纤维、PET和聚碳酸酯(PC)材质的塑料颗粒会部分降解,PE材质的塑料颗粒会出现熔融,PVC材质的塑料颗粒会发生风化[17]。

  1.2、 滤膜过滤法和超滤法

  膜过滤法是分析水体中塑料颗粒的常用方法,通过不同孔径滤膜过滤,将不同大小的塑料微粒分离,以达到高效富集纯化的目的。膜过滤法操作简单,价格合理,易于接受,应用广泛。采用膜过滤法处理样品,不会造成塑料颗粒形态的破坏,并且可按粒径大小分别富集,便于进一步的定量研究。膜过滤法的缺点是随着粒径的减小,过滤时间显着增加,而且孔径越小的滤膜价格越高,从而限制了该法进行大量样品的富集。Hernandez等[21]将塑料袋装茶于95 ℃浸泡提取后,通过2.5 μm的纤维素过滤器将提取液中微塑料和纳米塑料实现分离。Materic等[12]采用0.2 μm聚四氟乙烯(PTFE)过滤器从融化的高山雪中将微塑料与纳米塑料分离。目前采用膜过滤法处理塑料颗粒的过滤效率和方法回收率尚无文献报道。

  超滤法是在纳米级的多孔膜上施压,达到浓缩和分离纯化塑料颗粒的目的,可以理解为一种特殊的膜过滤法。超滤后的样品是以浓缩液的形式存在,可减少滤膜造成的样品损失,也可避免处理过程对样品形态的破坏。Majedi等[22]采用超滤法成功分离微塑料和纳米塑料。Mintenig等[23]用超滤法分离处理水性样品,从而分析水性样品中聚苯乙烯(PS)微粒的含量,结果表明,虽然方法重现性好,但对于50 nm PS微粒的回收率仅为12.7%,该法需要进一步优化,以提高目标样品的回收率。

  1.3 、浊点萃取法

  浊点萃取法(CPE)是利用表面活性剂胶束溶液随温度变化溶解和析出现象实现的,在表面活性剂胶束溶液出现浊点时改变条件引发相分离,将疏水性物质与亲水性物质分开。Zhou等[24]首次提出了基于Triton?声波风廓线仪X–45(Triton X–45)的CPE预浓缩环境水中痕量纳米塑料的方法。于45 ℃将样品与Triton X–45孵育15 min后,以3?000 r/min离心10 min,将纳米塑料聚集浓缩至底部,再转移至190 ℃热处理3 h,获得的提取物可用于热解气相色谱–质谱进行定量分析。PS和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)两种不同组成的纳米塑料,其富集系数均可达500,且不会干扰它们的原始形态和尺寸。以浊点萃取法处理的PS纳米塑料回收率在84.6%~96.6%之间,而PMMA纳米塑料的回收率在76.5%~96.6%之间。水环境中纳米塑料的浓度较低、富集系数越大对于富集浓缩越有利,因此用CPE法处理时,应以达到更大的富集系数为目的来优化条件,或者与其它前处理技术结合,以达到更好的前处理效果。

  1.4 、加压流体萃取法

  加压流体萃取(PFE)法是从复杂环境样品中提取塑料微粒,该法先用甲醇去除样品中的挥发性有机化合物,再用二氯甲烷选择性提取塑料成分。该法可从复杂基质中准确定量塑料的组成,如PS、PVC、PET、PP和高密度PE[25],但该法具有破坏性,会将样品中所有塑料成分提取出来并混合到一起,因此进行纳米塑料研究时,应先筛掉大的塑料碎片以避免影响结果。PFE法无法得知样品中纳米塑料的形态,也无法对纳米塑料的来源进行追踪,处理后的样品中各材质塑料混合在一起,会对样品再分析工作带来一定困难。PFE法虽然简便快捷,但无法分析样品中塑料颗粒的形态,该法需进一步优化或与其它方法结合以达到较好的效果。Fuller等[25]采用PFE法对城市垃圾和土壤等样品中的PS、PVC、PET、PP和高密度PE进行分析,首先于100 ℃用甲醇萃取除去样品中所有可萃取的挥发性有机化合物,然后于180 ℃用二氯甲烷回收选定的塑料。结果表明,各类塑料均可准确定量,但无法进行原始形态和大小等观测[25]。

  2 、纳米塑料的分析方法

  采用光散射[26]、纳米粒子追踪技术[27]和电子显微镜[28]对纯化后样品中纳米塑料的形态、粒度、丰度和化学组成等进行分析,从而对环境中的纳米塑料进行潜在风险评估。纳米塑料也是一种纳米粒子,纳米粒子形态、粒度的分析技术成熟度高,文献报道较多[29,30,31],而目前纳米塑料的分析方法以质谱法为主,显微红外光谱技术(FTIR和拉曼光谱)具有局限性,最小可识别到微米级别的塑料颗粒。直到2019年,Gillibert等[32]取得了突破进展,采用拉曼镊子(RTs)研究海水中的微塑料和纳米塑料,可识别低至50 nm的塑料(包括PP、PE、PS和尼龙)。RTs是一种将光学镊子与拉曼结合的技术,有望成为不同于质谱法的纳米塑料分析方法。

  质谱是目前分析纳米塑料的主要分析技术,其优势在于能够给出结构、相对分子质量、聚合度以及官能团等信息。塑料颗粒可通过质谱的特征质量模式识别,选择监测特征碎片离子可有效避免干扰,通过信号强度可同时实现定性和定量。通常质谱技术与其它技术联用来检测环境中的纳米塑料,如热解–气相色谱–质谱联用技术(py-GC–MS)[13]、热吸附解析–气相色谱–质谱技术(TED–GC–MS)[33]和热脱附–质子转移反应–质谱技术等[12]。

  py-GC–MS是一种用于聚合物鉴定和定量的技术。样品在惰性气体的保护下,经热裂解后分离并分析,Nguyen等[13]采用py-GC–MS技术识别了PE、PP、PS、PET、PVC、PMMA、PC和PA66 8种塑料材质。该法的缺点是对样品溶液的洁净程度要求较高,分析环境中复杂基质样品前,应仔细清除无机和有机成分,否则会对设备造成污染;设备进样装置和毛细管易被高沸点化合物污染,设备维护成本较高。

  TED–GC–MS是通过热重分析仪(TGA)热解样品,然后气态分解产物被固相吸附器吸附,经脱附后用气相色谱–质谱分析。Dümichen等[33]采用TED–GC–MS法对土壤污泥中的塑料颗粒进行分析,识别出PE、PP、PS、PET和PA等塑料聚合物。与py-GC–MS相比,采用TED–GC–MS技术热解分析的样品量可以更多,最高可达100 mg,更有利于分析,其次气化降解产物先经固相吸附剂吸附,然后热脱附,这样会减少对传输毛细管的污染。

  另外,热脱附–质子转移反应–质谱技术[12]、液相色谱–质谱/质谱联用技术(LC–MS/MS) [34]、热重分析–质谱技术[35]在纳米塑料的分析上取得了一定的成绩。上述方法基于质谱和热重分析,主要缺点是纳米塑料的原始情况被破坏,从而对纳米塑料的追溯造成困难,这是纳米塑料化学组成分析需要突破的问题。

  3 、总结与展望

  目前纳米塑料在地球环境中广泛存在,但至今对纳米塑料的研究报道较少,且对纳米塑料在地球上的数量、分布、转运形式以及对生物界的影响均处在初期探索阶段。对纳米塑料的分析方法进行综述,为从事本领域的研究工作者提供参考。

  未来研究纳米塑料需要进一步解决以下几个问题:

  (1)纳米塑料的界定。确定纳米塑料的粒度范围,统一标准,有利于开展科学研究。

  (2)现行检测方法的进一步完善。目前纳米塑料的检测方法有多种,各有优缺点,应集中精力解决现有检测方法中存在的目标物回收率不高、不能追踪溯源和不同机构间同法开展工作的结果差异较大的问题。

  (3)分析纳米塑料在地球上的数量、分布、转运形式。

  (4)寻找纳米塑料对生物界健康影响的直接证据。

  (5)政策落实。虽然各国对于塑料污染的管控日渐增强,也出台了相关政策加以控制塑料污染的增多,但好政策需要落实,管控需要联合,希望全球人民能达到共识,共同抵御塑料污染对地球的侵袭,维护好我们的生活家园。

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作者单位:辽宁省检验检测认证中心辽宁省产品质量监督检验院 国家石油产品质量监督检验中心(沈阳)
原文出处:段卫宇,王硕,曹聪,纪博睿,孙蕊,吕焕明.纳米塑料分析方法研究进展[J].化学分析计量,2021,30(09):94-98.
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