農(nóng)田土壤中微塑料測試方法比較及應(yīng)用研究

湯慶峰，王佳敏，李琴梅，高 峽，鄧平曄，邵 鵬，魏 煒，王紅燕

(北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測試研究所（北京市理化分析測試中心），北京 100089)

0 引 言

微塑料是指環(huán)境中粒徑小于5 mm的塑料類污染物[1]，包括碎片、纖維、顆粒、發(fā)泡等不同形貌類型。作為一種新型環(huán)境污染物，微塑料可在土壤中存在數(shù)年到數(shù)百年[2]，并在物理、化學(xué)與生物等多因素的相互作用下，發(fā)生不同尺度的遷移、轉(zhuǎn)化，對土壤理化性質(zhì)、微生物群落、土壤動植物生長等產(chǎn)生不利影響，損害土壤健康，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，對食品安全和人體健康構(gòu)成潛在威脅[3]。

農(nóng)田土壤中的微塑料來源復(fù)雜，形貌多樣，且大多發(fā)生了老化降解或吸附了其他雜質(zhì)[4]，給微塑料的鑒別分析帶來困難。目前文獻(xiàn)中有關(guān)微塑料的分析鑒別方法包括：目檢法[5]、掃描電鏡-能量色散X 射線聯(lián)用[6-8]、傅里葉變換-紅外光譜（FTIR）[9-13]、拉曼光譜（Raman）[14-16]、熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用儀（Pyr-GCMS）[17-18]、熱重分析氣質(zhì)聯(lián)用儀（TGA-GCMS）[19]、熱脫附氣質(zhì)聯(lián)用儀（TDS-GCMS）[20]等方法。上述方法在土壤微塑料分析鑒別中的應(yīng)用研究較少，更缺乏方法間相互的比較研究。本研究利用目檢法、掃描電鏡/能譜法、熱裂解-氣相色譜質(zhì)譜法以及顯微-傅里葉變換紅外光譜法對農(nóng)田土壤微塑料進(jìn)行分析鑒別，探討各方法在農(nóng)田土壤微塑料分析鑒別中的優(yōu)缺點；并利用顯微-傅里葉變換紅外光譜法分析了新疆農(nóng)田土壤中微塑料的分布及組成特征。

1 實驗部分

1.1 主要原料

七水硫酸亞鐵（AR，F(xiàn)eSO4·7H2O），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；過氧化氫（AR，H2O2），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，天津化學(xué)試劑有限公司；氯化鋅（AR，ZnCl2），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；鹽酸：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%，優(yōu)級純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸（AR，H2SO4），天津市福晨化學(xué)試劑廠。

聚乙烯(PE)顆粒，牌號HDPE8008H-1，廣州博峰化工科技有限公司；不銹鋼濾膜，孔徑10 μm&20 μm，直徑47 mm，北京聯(lián)合科儀科技有限公司。農(nóng)田土壤樣品：采自新疆瑪納斯棉田（0～30 cm）表層土壤。

1.2 主要設(shè)備及儀器

全自動冷凍研磨儀，Cryomill，德國萊馳（Retsch）公司；真空泵，AP-01P，天津奧特賽恩斯儀器有限公司；臺式數(shù)控超聲波清洗器，KQ-600DV，昆山市超聲儀器有限公司；超景深三維顯微鏡，VHX-600，日本基恩士（KEYENCE）公司； 掃描電鏡/能譜，Hitachi S4800，日本日立（Hitachi）公司；傅里葉變換紅外光譜儀，VERTEX 70v-HYPERION2000，德國布魯克（Bruker）公司；檢測范圍 4000 ～400 cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1，液氮冷卻MCT檢測器。

熱裂解實驗條件：裂解溫度 500 ℃；裂解時間10 s，裂解氛圍 空氣。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，QP2010MS，日本島津公司；熱裂解儀，EGA/PY-3030D，日本Frontier公司；CDS5000裂解進(jìn)樣儀，島津GCMSQPZolo型氣質(zhì)聯(lián)用儀； HP-5MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilent，美國）；色譜質(zhì)譜條件：進(jìn)樣口溫度 ：280 ℃，載氣：He，流量：1.0 mL/min，分流比：10∶1，升溫程序：50 ℃（2 min）-10 ℃/min-140 ℃（1 min）-10 ℃/min-280 ℃（1 min），GC-MS 接口溫度：280 ℃，離子源：EI源，電子能量：70 eV，掃描范圍：29～350 amu。

1.3 樣品制備

1.3.1 微塑料顆粒樣品制備

聚乙烯（PE）樣品經(jīng)液氮冷凍研磨處理，過篩，篩分出不同粒徑大小的微塑料顆粒：＜80 μm、80～180 μm、180～300 μm、＞300 μm。

1.3.2 土壤微塑料樣品制備

將風(fēng)干土樣置于白瓷盤中，用木錘敲打或手動研磨，揀出碎石、砂礫、植物殘體等雜質(zhì)，混勻，過孔徑5.0 mm不銹鋼篩。稱取適量過篩后的土壤樣品,溶于飽和氯化鋅（ZnCl2）水溶液中，加鹽酸1.0 mL，振搖混合制得土壤懸浮溶液；靜置分層，不銹鋼濾膜(20 μm)過濾分層后的上清液；過濾后將濾膜移至燒杯中加入適量FeSO4溶液和H2O2溶液，在電加熱板上于60 ℃下消解樣品，去除樣品中的有機(jī)雜質(zhì)；不銹鋼濾膜(10 μm)過濾消解液；濾膜取下并干燥。

1.4 形貌鑒定及表征

超景深三維顯微鏡分析:對濾膜上的顆粒進(jìn)行初步的觀測和拍照，記錄微塑料顏色，形狀和尺寸大小。

掃描電鏡/能譜分析：測試樣品的表面形貌和元素組成。

顯微-傅里葉變換紅外光譜分析：采用透射、反射、ATR三種模式對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測定，記錄-微塑料的顏色、大小及形狀，通過目標(biāo)物紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對比，對微塑料進(jìn)行定性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方法在微塑料鑒別中的應(yīng)用

2.1.1 目檢法

目檢法是利用肉眼直接觀察或在顯微鏡的協(xié)助下，將微塑料從自然源及非塑料的人為源中挑取，并根據(jù)微塑料形態(tài)、結(jié)構(gòu)等特點予以分類。

如圖1所示，（a）是聚乙烯（PE）微粒（＜500 μm）與純土壤混合樣品（PE/土壤）的照片，（b）是超景深顯微鏡放大50倍拍下的PE/土壤顯微圖像，(c)是農(nóng)田土壤中的塑料碎片照片，(d)是超景深顯微鏡放大200倍拍下的塑料殘片圖像。在（a）和（c）中目測觀察到大的PE微粒（＞500 μm）和土壤塑料碎片（＞4 cm），但由于（a）中 PE 微粒尺寸小，僅靠目測看不清單個微粒的具體形貌特征，即便是尺寸較大的塑料碎片（＞1 000 μm）（c）。土壤中的微塑料經(jīng)過風(fēng)化、降解，本身的色澤大多發(fā)生了變化，其表面吸附了較多的礦物等雜質(zhì)，因此土壤中的微塑料不經(jīng)處理很難被觀察到。而借助顯微鏡的放大功能，便可看到微塑料的細(xì)節(jié)特征，如顯微鏡下的PE微粒(b)和塑料殘片(d)，表面粗糙，形狀不規(guī)則。

圖1 樣品圖像

目檢法設(shè)備簡單，但鑒別準(zhǔn)確性受到微塑料大小、顏色、形態(tài)等特性的影響，誤判、遺漏等現(xiàn)象在目檢法中時有發(fā)生。由于其具有操作簡單、成本低等顯著優(yōu)點，仍然是目前常用的微塑料鑒別技術(shù)。工作中，使用目檢法分離鑒別土壤微塑料時需注意以下事項：1）排除所有生物、非塑料有機(jī)組分存在的可能；2）顆粒邊界必須清晰，整體色澤均勻，若顆粒為白色或透明則需利用更大的放大倍數(shù)或選用熒光標(biāo)記顯微鏡；3）若觀察到的纖維為線狀，并未發(fā)生彎曲、纏繞，則可能是生物源纖維，應(yīng)予以剔除；對透明纖維或綠色纖維需要進(jìn)行高倍放大檢查，以確認(rèn)其性質(zhì)，因為這兩種顏色在天然顆粒中非常普遍[21]。

2.1.2 掃描電鏡/能譜法

掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)組成進(jìn)行微觀成像，能夠在清晰和高度放大倍數(shù)的條件下提供單顆類塑料顆粒的微觀形貌和化學(xué)組成特征，為區(qū)分微塑料和其他有機(jī)物顆粒提供了便利[13]。

將添加 PE 微粒 (＜500 μm)的土壤混勻，經(jīng)粘樣、噴金處理后，置于SEM下觀察，可以清晰看到，土壤中的微塑料顆粒表面具有不同的形貌如圖2(a)，形態(tài)極為不規(guī)則，表面凸凹不平，邊緣粗糙，多呈鋸齒形。該法圖像清晰，但只能獲得物質(zhì)表面形態(tài)的圖像，不能對微塑料進(jìn)行成分的判定。在微塑料鑒別中，常需結(jié)合能譜儀(EDS)，通過塑料顆粒的表面特性及元素分析對微塑料進(jìn)行鑒定；如圖2(b)所示，經(jīng)EDS分析，獲取材料的元素組成信息，顆粒物的元素組成中主要成分是C，并含有少量的O。

圖2 微塑料顆粒表面形貌

2.1.3 熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用（Py-GCMS）法

Py-GCMS 工作原理簡單，樣品在嚴(yán)格控制的環(huán)境下加熱，目標(biāo)化合物在加熱的過程中逐漸熱裂解，成為可揮發(fā)性的小分子化合物，這些小分子通過聯(lián)用的氣相色譜分離，由質(zhì)譜進(jìn)行分析鑒定。根據(jù)裂解化合物定性、定量數(shù)據(jù)，反推樣品的結(jié)構(gòu)和組成。由于此方法可直接對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大、極性強(qiáng)、沸點高的化合物進(jìn)行分析，適合對高聚物以及其中的添加劑進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的鑒定[18]。

采用Py-GCMS在500 ℃熱裂解溫度條件下，分析了PE 塑料顆粒及含有PE微粒(＜500 μm)的土壤樣品。圖3是500 ℃裂解溫度下，由質(zhì)譜采集的PE塑料顆粒和含有PE土壤樣品的總離子流色譜圖。使用Frontier Lab公司提供的F-search譜庫對樣品裂解產(chǎn)物質(zhì)譜碎片進(jìn)行擬合檢索, 檢索結(jié)果見表1。

圖3 樣品的總離子流色譜圖

表1 土壤樣品熱裂解化學(xué)組成分析結(jié)果

通過對比分析土壤熱裂解化學(xué)組分（表1）和PE顆粒的熱裂解產(chǎn)物（表2），發(fā)現(xiàn)土壤樣品裂解產(chǎn)物中存在典型的聚乙烯裂解產(chǎn)物1-三十烯，1-四十烯，1-四十一烯，1-癸烯，1-十一烯，1-十四烯，1-庚烯，1-二十烯，正癸烷，1,9-癸二烯, 因而可推斷土壤中含有聚乙烯; 另外土壤的裂解產(chǎn)物中還含有鄰苯二甲酸酐，苯乙烯，而這兩種物質(zhì)是不飽和聚酯的典型裂解產(chǎn)物。據(jù)此, 可以認(rèn)為土壤中除含有高分子聚合物聚乙烯外，還有不飽和聚酯等高分子聚合物。

表2 PE主要熱裂解產(chǎn)物

2.1.4 顯微-傅里葉變換紅外光譜法

聚合物的各種基團(tuán)在紅外譜區(qū)有相應(yīng)的特征吸收峰，可依據(jù)特征峰定性識別聚合物類型；而且紅外光譜分析具有不破壞樣品，未知樣品的紅外譜圖可與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比對鑒定的優(yōu)點，F(xiàn)TIR是目前最常用的微塑料表征技術(shù)[12]。顯微-傅里葉紅外光譜（micro-FTIR）是在紅外光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新興的微區(qū)分析技術(shù)，與傳統(tǒng)的紅外光譜分析相比，顯微紅外光譜成像技術(shù)通過光譜分析技術(shù)與成像技術(shù)的結(jié)合，樣本基體直觀可視化，更好地提高空間分辨率，非常適合小尺寸樣品的無損鑒定工作[22]。

顯微-傅里葉紅外光譜法有反射、透射和衰減全反射(ATR)3種操作模式，利用檢測中，三模式可自由切換，操作簡單。圖4 中是40 μm、80 μm、100 μm、350 μm粒徑PE微塑料在不同測量模式下所得紅外譜圖，從圖中可以看出所有的紅外譜圖在2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 467 cm-1、720 cm-1處均出現(xiàn)了 PE 的特征吸收峰，結(jié)果表明顯微-傅里葉紅外光譜在反射、透射和ATR三種測量模式下，均可對40～350 μm粒徑PE微塑料進(jìn)行鑒別。另外，同粒徑在不同測量模式下，所得紅外光譜譜圖在譜圖信號強(qiáng)度、譜圖質(zhì)量等方面存在差異。不同粒徑PE微塑料在透射模式下所得光譜信號相對較強(qiáng)，反射模式次之，ATR模式相對最弱；但ATR模式下紅外譜圖基線平滑，而反射模式下所得譜圖毛刺較多，表明紅外譜圖的質(zhì)量與檢測模式、樣品性質(zhì)有關(guān)。透射模式下紅外光線需要穿過樣品，且塑料樣品對紅外輻射的吸收強(qiáng)烈，因此該模式下的光譜信號強(qiáng)；反射模式對待測樣品表面的潔凈度和光滑度要求較高，但實際實驗中的樣品形狀不規(guī)則且表面粗糙，該模式下易出現(xiàn)折射誤差，造成紅外信號不穩(wěn)定，因此譜圖毛刺較多；而ATR模式是一種通過表面接觸進(jìn)行分析的方式，通過附件晶體與樣品接觸來獲得樣品表層有機(jī)成分的結(jié)構(gòu)信息，該模式不受樣品厚度、表面形態(tài)和基底噪音的干擾[22]，因此ATR模式下的譜圖質(zhì)量均較好。

圖4 微塑料不同粒徑、不同模式下的紅外圖譜比較

2.2 微塑料不同鑒別方法比較分析

目檢法作為微塑料分析鑒定的一種常用方法，其操作簡單，為訓(xùn)練有素的研究者提供了一種簡單、快速的分析鑒別方法；該法往往要求所鑒定的物質(zhì)尺寸較大，通常可通過裸眼對大塊（2～5 mm）、有顏色的塑料碎片及樹脂顆粒進(jìn)行分離和鑒別；在鑒定小于1.0 mm且無顏色、無特定形狀的樣品時，用肉眼直接觀察很難確保塑料的真?zhèn)蝃13]，需要借助立體/解剖顯微鏡和專業(yè)圖像軟件。研究表明顯微鏡下的目檢鑒別對于類塑料顆粒的誤判率通常超過20%，其中的70%是對于透明顆粒的誤判[6,13]。掃描電子顯微鏡在檢測對象粒徑和形貌等特征方面有絕對優(yōu)勢，分辨率可達(dá)到0.1 μm；但是樣品制備嚴(yán)格，需要在高度真空條件下對待測物鍍膜處理，且其只能對濾膜上的粒子逐個分析鑒定，耗費時間長。Py-GC/MS具有用量小，可直接進(jìn)樣等優(yōu)點，通過待測樣品加熱后的分解產(chǎn)物來鑒別微塑料成分，可以同時識別聚合物類型和添加劑，但該法不能得到微塑料的數(shù)量和粒徑分布信息。而采用紅外光譜代替肉眼識別塑料顆粒，利用聚合物基團(tuán)在紅外譜區(qū)的特征吸收峰，微塑料分析鑒別的準(zhǔn)確性大大提高，而且FTIR法僅需通過過濾等簡單的預(yù)處理即可直接對每一個疑似塑料的顆粒進(jìn)行圖譜分析，不僅可以鑒別微塑料的聚合物成分，避免非塑料顆粒的假陽性結(jié)果，而且還能獲取到微塑料的數(shù)量信息。Micro-FTIR 法充分結(jié)合了顯微鏡與FTIR的優(yōu)點，在采集視場內(nèi)顆粒圖像的同時，可獲得視場內(nèi)每一個像元對應(yīng)的紅外譜圖，能滿足小粒徑微塑料檢測及區(qū)域范圍檢測的要求。

因此，綜合比較各方法在土壤微塑料分析鑒別中的應(yīng)用，非破壞性的紅外光譜分析技術(shù)在土壤微塑料分析鑒別研究中更加適合。原因是土壤中微塑料豐度低，提取的樣品量受到限制，非破壞性的分析鑒別方法可以滿足在較少樣品量的情況下，進(jìn)行多次、多途徑分析，獲得不同的分析參數(shù)；而且Micro-FTIR法的反射、透射和ATR三種測量模式都可應(yīng)用于微塑料的檢測，依據(jù)樣品特點靈活選擇測量模式，操作簡單。

2.3 Micro-FTIR（ATR）分析農(nóng)田土壤微塑料

樣品經(jīng)分離、凈化后，目標(biāo)物被抽濾至濾膜上，借助景深顯微鏡對濾膜上的顆粒進(jìn)行初步的觀測和拍照，統(tǒng)計微塑料數(shù)量、記錄大小及形狀；然后利用顯微紅外光譜ATR模式對目標(biāo)物進(jìn)行鑒別分析。新疆農(nóng)田土壤微塑料分析結(jié)果見表3。

表3 新疆農(nóng)田土壤微塑料分析結(jié)果1）

目檢統(tǒng)計0～30 cm 土層微塑料豐度，新疆農(nóng)田土壤中樣品中存在大量微塑料，均值（4.2±1.2）×103 個/kg ，不同地塊間微塑料豐度差異較大。所測地塊中微塑料主要形狀為薄膜狀（35.2%），顆粒狀（27.8%）和纖維狀（22.5%）。將所測微塑料按粒徑大小分成＜200 μm，200～500 μm，500～1 000 μm，1 000～5 000 μm 4類，其占比分別為 44.2%，32.5%，12.8%，10.5%，可見新疆農(nóng)田土壤中尺寸越小的微塑料數(shù)量越大。對新疆農(nóng)田土壤微塑料進(jìn)行顯微-紅外光譜分析，顯微圖像和對應(yīng)紅外譜圖見圖5。經(jīng)統(tǒng)計，所測農(nóng)田土壤中共鑒別出8種材質(zhì)的微塑料，分別是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯；其中聚乙烯 (60.2%)、聚丙烯(18.3%)占比較大。

圖5 土壤中微塑料顯微圖像及紅外譜圖

3 結(jié)束語

本文探討了目檢法、掃描電鏡/能譜法、熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用和顯微-傅里葉變換紅外光譜法在土壤微塑料鑒別分析中的應(yīng)用，通過對比各方法在土壤微塑料鑒別中的優(yōu)缺點，得出以下結(jié)論：

1)目檢法操作簡單，所鑒定的微塑料尺寸較大，不能鑒別材料組成；掃描電鏡/能譜法在表征微塑料粒徑大小、形貌特征等方面具有絕對優(yōu)勢，可獲取材料的元素組成信息，但不能對材料進(jìn)行準(zhǔn)確定性；熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用法樣品用量小，可直接進(jìn)樣，可通過樣品裂解產(chǎn)物來推斷組分，識別聚合物類型和添加劑，不能獲得樣品中微塑料數(shù)量、粒徑和形貌信息。

2)顯微-傅里葉紅外光譜法擁有反射、透射及衰減全反射三種測量模式，均可用于微塑料的分析鑒別，結(jié)合顯微鏡還可獲得微塑料顆粒的大小、形貌和數(shù)量信息；在分析新疆農(nóng)田土壤中微塑料的應(yīng)用中，證明顯微-傅里葉變換紅外光譜法是土壤微塑料分析鑒別的簡便、可行方法。