納米塑料分析方法研究進(jìn)展

段衛(wèi)宇，王碩，曹聰，紀(jì)博睿，孫蕊，呂煥明

（1.遼寧省檢驗檢測認(rèn)證中心，遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，沈陽 110032；2.國家石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（沈陽），沈陽 110144）

塑料可塑性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，被廣泛用于人類生活的多個領(lǐng)域，因其具有難生物降解性，易造成環(huán)境污染，因此塑料屬于一種新型污染物，且對環(huán)境的影響越來越突出。到2060 年，預(yù)計全球的塑料垃圾約有1.55～2.65 億噸［1］，而自然界將這一污染清除，則需要數(shù)百年的時間。塑料通過大自然風(fēng)化和紫外線照射，于環(huán)境中緩慢降解成的小顆粒。2004 年，Thomson 首次提出粒徑小于5 mm 的塑料顆粒稱之為微塑料［2］。大部分學(xué)者認(rèn)為粒徑小于1 μm 的可認(rèn)為是納米塑料［3］，也有科研人員傾向于將粒徑小于100 nm 的稱為納米塑料［4］。目前對于納米塑料并沒有明確的定義，筆者以大多數(shù)研究的共識作為納米塑料的定義，即粒徑小于1 μm 的塑料顆粒認(rèn)為是納米塑料［5］。環(huán)境中塑料污染可分為原生和次生塑料顆粒，原生塑料顆粒是直接排放到環(huán)境中的微小塑料顆粒，如為了增加摩擦效果在化妝品和牙膏中添加的塑料顆粒；次生塑料顆粒是塑料垃圾在風(fēng)力、波浪等外力環(huán)境下通過物理作用，以及在紫外線等照射下，塑料中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)逐步破碎分解形成的塑料顆粒，自然環(huán)境中已有越來越多的納米塑料產(chǎn)生。隨著環(huán)境中塑料污染物的增多，在自然條件下，次生塑料顆粒已成為不可忽視的塑料污染源之一。研究表明，環(huán)境中的塑料污染已廣泛存在于水環(huán)境［6］、土壤環(huán)境［7-8］和大氣環(huán)境［9］中，并且已到達(dá)地球較為偏僻的地方。2020 年，Bergami［10］首次在南極隱孢子蟲體內(nèi)檢測到了聚苯乙烯碎片，這證明塑料污染已經(jīng)在南極存在，并可能已經(jīng)進(jìn)入了南極陸地的食物鏈中。由于采集方式、分析方法等諸多條件的限制，目前微塑料的研究較多，而對納米塑料的研究相對較少。隨著粒徑減小，塑料顆粒的比表面積顯著增加，納米塑料對有機(jī)污染物和有毒重金屬的攜帶作用增強(qiáng)，達(dá)到納米級別的塑料已經(jīng)可以在人體的大部分組織器官中轉(zhuǎn)運。無論是納米塑料，還是納米塑料吸附的有毒物質(zhì)均可能危害自然界中生物體的健康。

目前的研究文獻(xiàn)中大多報道微塑料顆粒，這是由于受到檢測方法的制約所致，并不代表環(huán)境中納米塑料少，有文獻(xiàn)估計環(huán)境中納米塑料的含量約為微塑料數(shù)量的1014倍［11］。Materic 等［12］在高山雪中檢測到了納米塑料，種類包括聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）。這不僅證明了納米塑料在自然界中已廣泛存在，也說明納米塑料的遷移方式可能包括大氣途徑。另外，由于納米塑料粒徑較小，目前廣泛應(yīng)用的微塑料采集和分析方法對于納米塑料并不完全適用。如浮選法可將微塑料從泥沙中分離出來，而納米塑料的浮力較低，尺寸較小，因此不能采用浮選法將納米塑料從復(fù)雜的泥沙基質(zhì)中分離出來［13］。目前對于環(huán)境中納米塑料分析方法的研究綜述較少，其中有的將納米塑料與微塑料一并綜述，不能突出納米塑料分析方法的特點［14-15］，有的雖然單獨對納米塑料進(jìn)行了綜述，但未總結(jié)納米塑料的分離方法（前處理）和部分新開發(fā)的分析方法（如顯微紅外分析法和熱重-氣質(zhì)法等）［16］。筆者概述了納米塑料的提取分離方法，介紹了近十年開發(fā)的分析方法，并對方法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，為納米塑料污染的進(jìn)一步研究提供參考。

1 納米塑料的預(yù)處理方法

1.1 樣品消解

自然環(huán)境中的納米塑料大多包含在較豐富的生物質(zhì)中，即使是淡水中的納米塑料表面也常覆有一層生物膜，這樣增加了納米塑料的識別難度，因此在分析前需要對納米塑料進(jìn)行預(yù)處理，去除納米塑料上的有機(jī)物。環(huán)境中的微塑料也面臨上述同樣問題，因此微塑料的純化方法也可用于納米塑料的純化，一般常用的純化方法主要有酶分解法和化學(xué)分解法。

1.1.1 酶分解法

酶分解法是在復(fù)雜環(huán)境樣品中純化塑料顆粒的有效方法，對基質(zhì)的分解較為徹底，不會對塑料造成破壞，也不會造成環(huán)境污染。Cole 等［17］采用優(yōu)化的酶分解程序，將富含浮游生物的海水樣品中97%以上的基質(zhì)高效酶解。Karlsson 等［18］采用蛋白酶K 對貽貝中的微塑料進(jìn)行有效分離，微塑料的回收率可達(dá)97%，而且并未發(fā)現(xiàn)該法對微塑料有明顯的破壞現(xiàn)象。酶分解法的主要缺點是價格較高，也有采用價格較低的酶分解處理的文獻(xiàn)報道。Courtene-Jones 等［19］采用胰蛋白酶處理樣品，取得了較好的效果，胰蛋白酶在較低濃度（0.312 5%）下產(chǎn)生較大的消化效率（88%±2.52%），該方法對微塑料沒有顯著破壞。對于不同類型的有機(jī)物，采用不同的酶可以增加分解效果，酶消化和雙氧水的協(xié)同處理可以提高消化效率，但是酶分解法的處理過程復(fù)雜，處理時間相對較長，費用相對較高，因此限制了這種方法的廣泛使用。

1.1.2 化學(xué)分解法

化學(xué)分解法采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和氧化劑等化學(xué)物質(zhì)對樣品進(jìn)行前處理，通過消解去除樣品中塑料顆粒上的生物質(zhì)。越來越多的報道致力于研究化學(xué)物質(zhì)的消解率，同時也越來越關(guān)注該處理方式對目標(biāo)物（塑料顆粒）的損壞情況。Cole 等［17］采用鹽酸和硝酸等強(qiáng)酸聯(lián)合SDS（十二烷基磺酸鈉）對海水中采集的樣品進(jìn)行處理，結(jié)果表明該法對樣品中有機(jī)質(zhì)前處理效果并不好。Prata 等［20］對植物組織、動物組織、油和石蠟等分別用硝酸和SDS 處理，于50℃孵育1 h，分別消解40%和30%，結(jié)果略優(yōu)于對照組。用強(qiáng)堿或氧化劑進(jìn)行樣品前處理的消解率優(yōu)于用強(qiáng)酸的消解率，提高濃度和孵育溫度可以提高消解率。采用H2O2+Fe 和KOH 于50 ℃對樣品處理1 h 的消解率分別為65.9%和58.3%。H2O2+Fe更適于處理植物組織，而KOH 更適于處理動物組織［20］。以NaOH 于60 ℃處理樣品24 h，樣品中的天然浮游生物消解率可達(dá)91.3%，但在這一過程中尼龍纖維、PET 和聚碳酸酯（PC）材質(zhì)的塑料顆粒會部分降解，PE 材質(zhì)的塑料顆粒會出現(xiàn)熔融，PVC材質(zhì)的塑料顆粒會發(fā)生風(fēng)化［17］。

1.2 濾膜過濾法和超濾法

膜過濾法是分析水體中塑料顆粒的常用方法，通過不同孔徑濾膜過濾，將不同大小的塑料微粒分離，以達(dá)到高效富集純化的目的。膜過濾法操作簡單，價格合理，易于接受，應(yīng)用廣泛。采用膜過濾法處理樣品，不會造成塑料顆粒形態(tài)的破壞，并且可按粒徑大小分別富集，便于進(jìn)一步的定量研究。膜過濾法的缺點是隨著粒徑的減小，過濾時間顯著增加，而且孔徑越小的濾膜價格越高，從而限制了該法進(jìn)行大量樣品的富集。Hernandez 等［21］將塑料袋裝茶于95 ℃浸泡提取后，通過2.5 μm 的纖維素過濾器將提取液中微塑料和納米塑料實現(xiàn)分離。Materic等［12］采用0.2 μm 聚四氟乙烯（PTFE）過濾器從融化的高山雪中將微塑料與納米塑料分離。目前采用膜過濾法處理塑料顆粒的過濾效率和方法回收率尚無文獻(xiàn)報道。

超濾法是在納米級的多孔膜上施壓，達(dá)到濃縮和分離純化塑料顆粒的目的，可以理解為一種特殊的膜過濾法。超濾后的樣品是以濃縮液的形式存在，可減少濾膜造成的樣品損失，也可避免處理過程對樣品形態(tài)的破壞。Majedi 等［22］采用超濾法成功分離微塑料和納米塑料。Mintenig 等［23］用超濾法分離處理水性樣品，從而分析水性樣品中聚苯乙烯（PS）微粒的含量，結(jié)果表明，雖然方法重現(xiàn)性好，但對于50 nm PS 微粒的回收率僅為12.7%，該法需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高目標(biāo)樣品的回收率。

1.3 濁點萃取法

濁點萃取法（CPE）是利用表面活性劑膠束溶液隨溫度變化溶解和析出現(xiàn)象實現(xiàn)的，在表面活性劑膠束溶液出現(xiàn)濁點時改變條件引發(fā)相分離，將疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)分開。Zhou 等［24］首次提出了基于Triton?聲波風(fēng)廓線儀X-45（Triton X-45）的CPE 預(yù)濃縮環(huán)境水中痕量納米塑料的方法。于45 ℃將樣品與Triton X-45 孵育15 min 后，以3 000 r／min 離心10 min，將納米塑料聚集濃縮至底部，再轉(zhuǎn)移至190 ℃熱處理3 h，獲得的提取物可用于熱解氣相色譜-質(zhì)譜進(jìn)行定量分析。PS 和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）兩種不同組成的納米塑料，其富集系數(shù)均可達(dá)500，且不會干擾它們的原始形態(tài)和尺寸。以濁點萃取法處理的PS 納米塑料回收率在84.6%～96.6%之間，而PMMA 納米塑料的回收率在76.5%～96.6%之間。水環(huán)境中納米塑料的濃度較低、富集系數(shù)越大對于富集濃縮越有利，因此用CPE 法處理時，應(yīng)以達(dá)到更大的富集系數(shù)為目的來優(yōu)化條件，或者與其它前處理技術(shù)結(jié)合，以達(dá)到更好的前處理效果。

1.4 加壓流體萃取法

加壓流體萃?。≒FE）法是從復(fù)雜環(huán)境樣品中提取塑料微粒，該法先用甲醇去除樣品中的揮發(fā)性有機(jī)化合物，再用二氯甲烷選擇性提取塑料成分。該法可從復(fù)雜基質(zhì)中準(zhǔn)確定量塑料的組成，如PS、PVC、PET、PP 和高密度PE［25］，但該法具有破壞性，會將樣品中所有塑料成分提取出來并混合到一起，因此進(jìn)行納米塑料研究時，應(yīng)先篩掉大的塑料碎片以避免影響結(jié)果。PFE 法無法得知樣品中納米塑料的形態(tài)，也無法對納米塑料的來源進(jìn)行追蹤，處理后的樣品中各材質(zhì)塑料混合在一起，會對樣品再分析工作帶來一定困難。PFE 法雖然簡便快捷，但無法分析樣品中塑料顆粒的形態(tài)，該法需進(jìn)一步優(yōu)化或與其它方法結(jié)合以達(dá)到較好的效果。Fuller 等［25］采用PFE 法對城市垃圾和土壤等樣品中的PS、PVC、PET、PP 和高密度PE 進(jìn)行分析，首先于100 ℃用甲醇萃取除去樣品中所有可萃取的揮發(fā)性有機(jī)化合物，然后于180 ℃用二氯甲烷回收選定的塑料。結(jié)果表明，各類塑料均可準(zhǔn)確定量，但無法進(jìn)行原始形態(tài)和大小等觀測［25］。

2 納米塑料的分析方法

采用光散射［26］、納米粒子追蹤技術(shù)［27］和電子顯微鏡［28］對純化后樣品中納米塑料的形態(tài)、粒度、豐度和化學(xué)組成等進(jìn)行分析，從而對環(huán)境中的納米塑料進(jìn)行潛在風(fēng)險評估。納米塑料也是一種納米粒子，納米粒子形態(tài)、粒度的分析技術(shù)成熟度高，文獻(xiàn)報道較多［29-31］，而目前納米塑料的分析方法以質(zhì)譜法為主，顯微紅外光譜技術(shù)（FTIR 和拉曼光譜）具有局限性，最小可識別到微米級別的塑料顆粒。直到2019 年，Gillibert 等［32］取得了突破進(jìn)展，采用拉曼鑷子(RTs)研究海水中的微塑料和納米塑料，可識別低至50 nm 的塑料（包括PP、PE、PS 和尼龍）。RTs 是一種將光學(xué)鑷子與拉曼結(jié)合的技術(shù)，有望成為不同于質(zhì)譜法的納米塑料分析方法。

質(zhì)譜是目前分析納米塑料的主要分析技術(shù)，其優(yōu)勢在于能夠給出結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量、聚合度以及官能團(tuán)等信息。塑料顆?？赏ㄟ^質(zhì)譜的特征質(zhì)量模式識別，選擇監(jiān)測特征碎片離子可有效避免干擾，通過信號強(qiáng)度可同時實現(xiàn)定性和定量。通常質(zhì)譜技術(shù)與其它技術(shù)聯(lián)用來檢測環(huán)境中的納米塑料，如熱解-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（py-GC-MS）［13］、熱吸附解析-氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)（TED-GC-MS）［33］和熱脫附-質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)-質(zhì)譜技術(shù)等［12］。

py-GC-MS 是一種用于聚合物鑒定和定量的技術(shù)。樣品在惰性氣體的保護(hù)下，經(jīng)熱裂解后分離并分析，Nguyen 等［13］采用py-GC-MS 技術(shù)識別了PE、PP、PS、PET、PVC、PMMA、PC 和PA66 8 種塑料材質(zhì)。該法的缺點是對樣品溶液的潔凈程度要求較高，分析環(huán)境中復(fù)雜基質(zhì)樣品前，應(yīng)仔細(xì)清除無機(jī)和有機(jī)成分，否則會對設(shè)備造成污染；設(shè)備進(jìn)樣裝置和毛細(xì)管易被高沸點化合物污染，設(shè)備維護(hù)成本較高。

TED-GC-MS 是通過熱重分析儀（TGA）熱解樣品，然后氣態(tài)分解產(chǎn)物被固相吸附器吸附，經(jīng)脫附后用氣相色譜-質(zhì)譜分析。Dümichen 等［33］采用TED-GC-MS 法對土壤污泥中的塑料顆粒進(jìn)行分析，識別出PE、PP、PS、PET 和PA 等塑料聚合物。與py-GC-MS 相比，采用TED-GC-MS 技術(shù)熱解分析的樣品量可以更多，最高可達(dá)100 mg，更有利于分析，其次氣化降解產(chǎn)物先經(jīng)固相吸附劑吸附，然后熱脫附，這樣會減少對傳輸毛細(xì)管的污染。

另外，熱脫附-質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)-質(zhì)譜技術(shù)［12］、液相色譜-質(zhì)譜／質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS／MS）［34］、熱重分析-質(zhì)譜技術(shù)［35］在納米塑料的分析上取得了一定的成績。上述方法基于質(zhì)譜和熱重分析，主要缺點是納米塑料的原始情況被破壞，從而對納米塑料的追溯造成困難，這是納米塑料化學(xué)組成分析需要突破的問題。

3 總結(jié)與展望

目前納米塑料在地球環(huán)境中廣泛存在，但至今對納米塑料的研究報道較少，且對納米塑料在地球上的數(shù)量、分布、轉(zhuǎn)運形式以及對生物界的影響均處在初期探索階段。對納米塑料的分析方法進(jìn)行綜述，為從事本領(lǐng)域的研究工作者提供參考。

未來研究納米塑料需要進(jìn)一步解決以下幾個問題：

（1）納米塑料的界定。確定納米塑料的粒度范圍，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有利于開展科學(xué)研究。

（2）現(xiàn)行檢測方法的進(jìn)一步完善。目前納米塑料的檢測方法有多種，各有優(yōu)缺點，應(yīng)集中精力解決現(xiàn)有檢測方法中存在的目標(biāo)物回收率不高、不能追蹤溯源和不同機(jī)構(gòu)間同法開展工作的結(jié)果差異較大的問題。

（3）分析納米塑料在地球上的數(shù)量、分布、轉(zhuǎn)運形式。

（4）尋找納米塑料對生物界健康影響的直接證據(jù)。

（5）政策落實。雖然各國對于塑料污染的管控日漸增強(qiáng)，也出臺了相關(guān)政策加以控制塑料污染的增多，但好政策需要落實，管控需要聯(lián)合，希望全球人民能達(dá)到共識，共同抵御塑料污染對地球的侵襲，維護(hù)好我們的生活家園。