红外显微光谱法测定生活饮用水中微塑料

李 珊，张 岚，邢方潇，陈永艳，岳银玲

(中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，北京 100021)

微塑料是近几年备受关注的一种新兴污染物，其种类丰富，污染来源众多，具有粒径小、质量轻、难降解等特点，可随空气、水流、地质运动及生物活动快速迁移扩散，从而造成大范围的环境污染[1]。研究发现，微塑料疏水性表面吸附的持久性有机物，如多环芳烃、多氯联苯、壬基酚、三氯生等及其内部的添加剂，如邻苯二甲酸酯、多溴联苯醚等会在生物体肠道内渗出[2-4]。这些物质可随生物摄食进入食物链并层层富集，带来诸如干扰消化、减少进食、引发组织炎症、细胞增殖和坏死、损害免疫细胞等健康风险[5-6]。

相关研究显示，英国、德国、捷克等众多国家的地表水、地下水、自来水及瓶装水中均有微塑料检出[7-15]。目前，国际上尚未建立饮用水中微塑料的标准化检验方法，相关文献中采用的前处理及检测方法也不尽相同。本研究根据饮用水中微塑料数量少、粒径小的特征，基于红外显微分析技术探索可用于饮用水中微塑料检测的定性定量分析方法，力求操作简单，检测时间适宜，检测结果准确有效。

1 试验方法

1.1 仪器与试剂

傅里叶红外显微光谱仪(Spotlight-400，美国PerkinElmer公司)，纯水机(Milli-Q Integral 5，美国Millipore公司)，隔膜真空泵(GM-0.5 A，天津津腾设备有限公司)，超声波清洗器，玻璃抽滤装置。过氧化氢溶液(分析纯，30%)、无水乙醇(分析纯)、硝酸(分析纯)、异丙醇(分析纯)；硝酸纤维素滤膜、聚碳酸酯滤膜、聚四氟乙烯滤膜、混合纤维素滤膜、玻璃纤维素滤膜、不锈钢滤膜、银膜；聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺/尼龙(Polyamide/Nylon 6)、纤维素(Cellulose)、聚苯乙烯(PS)微塑料标准品。

1.2 方法

目前，水体中常用的微塑料鉴别方法有目视法、电子显微镜扫描法、热分析法、拉曼光谱法和红外光谱法[16-20]。前期研究[21]已对各种鉴定方法进行了适用性分析，根据饮用水中微塑料数量少、粒径小等特点，红外光谱法和拉曼光谱法被认为是适宜的检测技术。本研究基于红外显微光谱技术开展了饮用水中微塑料检测方法的研究，对样品前处理过程，如抽滤、消解、洗脱等步骤及显微红外光谱仪的仪器参数进行了条件优化试验。

1.2.1 抽滤

本研究设定了2个抽滤步骤，分别为一级抽滤和二级抽滤。一级抽滤的目的是完成大体积水样的抽滤过程，尽可能将水样中的所有待测物质截留在滤膜上，以方便后续对干扰物质进行消解，同时减少二级抽滤的操作难度；二级抽滤的目的是将小体积洗脱液中的待测物质抽滤至合适的滤膜上，并尽量缩小滤膜的有效抽滤面积，以提高仪器检测效率。

1.2.2 消解

预试验中发现，生活饮用水中普遍存在一类物质，其特征吸收峰与标准谱库中的蛋白质、毛产品及谷物蛋白标准谱图高度重合。这类干扰物质的存在会影响待测物质与标准谱图的匹配度，而消解能有效去除该物质。本研究以30%H2O2为消解液，研究了不同加热时长的消解效果。

1.2.3 洗脱

洗脱的目的是将一级抽滤滤膜上截留的待测物质转移至小体积洗脱液中，以便进行二级抽滤。本研究通过微塑料纯水加标试验，研究超声时间和超声温度对微塑料洗脱效果的影响。

1.2.4 定性和定量分析

红外光谱法是指用一定波段的红外光照射待测物质，分子选择性吸收某些波长的红外线，引起分子中振动能级和转动能级的跃迁。将仪器检测得到的物质的红外吸收光谱与标准光谱进行比对，从而完成物质的定性定量分析。本研究综合考虑仪器的检测灵敏度、检测时间成本及信息收集效率，确定检测模式及空间分辨率。另外，通过微塑料标准品的模拟测定试验，对所得光谱与标准光谱的匹配度进行分析，确定本研究可接受的匹配度，进而对实际水样中检测到的微塑料进行定量分析。

1.3 质量控制措施

操作过程中，避免样品与塑料器皿接触；对全部器皿采取严格的清洗过程；超纯水在使用前经不锈钢滤膜过滤。此外，为避免外环境及操作过程可能引入的污染，在每批次样品的检测过程中均设置全程序空白样，在后续分析实际样品数据时予以扣除。

2 试验结果与讨论

2.1 抽滤

前期研究[22]中，通过加标回收试验测试了硝酸纤维素滤膜、聚四氟乙烯滤膜、聚碳酸酯滤膜、玻璃纤维素滤膜、混合纤维素滤膜及不锈钢滤膜6种滤膜的抽滤性能和洗脱性能。结果显示：不锈钢滤膜、聚四氟乙烯滤膜及聚碳酸酯滤膜均有较好的截留和洗脱效果；不锈钢滤膜的截留率和洗脱率分别为97.1%、94.2%；聚四氟乙烯滤膜的截留率和洗脱率分别为94.2%、91.7%；聚碳酸酯滤膜的截留率和洗脱率分别为89.1%、95.9%；鉴于聚四氟乙烯和聚碳酸酯也是常见的塑料材质，因而选择不锈钢滤膜进行一级抽滤。二级抽滤滤膜需考虑滤膜是否适合红外显微光谱仪的检测模式。本研究考察了银膜及上述6种滤膜的综合性能，结合可操作性及检测成本，将银膜作为二级抽滤滤膜，并于红外显微光谱仪ATR成像模式下进行微塑料定性和定量分析。研究根据需要，对直径为25 mm的玻璃抽滤装置进行了改造，使滤膜的有效抽滤直径缩小至3.7 mm。

2.2 消解

以超纯水和饮用水为试验介质，以30%H2O2为消解液，以2 d作为消解时间，考察40 ℃条件下、不同加热时长(0、12 h和24 h)对干扰物质的消解效果。消解时间及加热时长的组合模式如表1所示，相应的消解效果如图1所示，图中圆圈处表示消解处理后残存的干扰物质。如图1(b)、1(c)、1(d)、1(f)、1(g)、1(i)所示，在40 ℃条件下，加热时间越长，消解效果越好。因此，本研究选择用30%H2O2消解2 d，并在40 ℃条件下加热24 h，来消解饮用水中的干扰物质。

表1 消解试验条件Tab.1 Conditions of Digestion Tests

图1 不同试验条件下干扰物质的消解效果图(a)～(d)按表1中a～d的消解条件对滤后超纯水进行消解所得的总吸光度图；(e)～(i)按表1中e～i的消解条件对饮用水样本进行消解所得的总吸光度图图1Fig.1 Digestion Effect of Interfering Substances under Different Test Conditions(a)～(d) Total Absorbance of Ultra-Pure Water by Digestion Conditions in Tab.1 (a～d);(e)～(i) Total Absorbance of Drinking Water by Digestion Conditions in Tab.1 (e～i)

2.3 洗脱

以PE、PVC、PTFE、PA、PS微塑料标准品为试验对象，考察不同超声时间和不同超声温度条件下微塑料的洗脱效果。

2.3.1 超声时间

分别考察10、20 min以及30 min超声对微塑料洗脱效果的影响。试验结果显示：当超声时间为10 min时，微塑料的回收率在72.8%～100.9%；当超声时间为20 min时，微塑料的回收率在84.2%～99.3%；当超声时间为30 min时，微塑料的回收率在97.4%～120.4%，即随着超声时间的增加，微塑料的回收率有一定的增加。经统计学分析，3组数据有显著性差异(p<0.05)，如表2所示。但当超声时间达到30 min时，PE、PA、PS的回收率均超过了加标量。因此，本研究将超声时间确定为20 min。

表2 不同超声时间对微塑料回收率的影响Tab.2 Effect of Different Ultrasonic Time on Recovery Rate of Microplastics

2.3.2 超声温度

由于塑料成分在40 ℃以上会发生分解[23]，本研究在超声20 min时分别设定30 ℃和40 ℃这2个温度条件。试验结果显示：当超声温度为30 ℃时，微塑料的回收率在84.2%～92.9%；当超声温度为40 ℃时，微塑料的回收率在83.5%～94.3%，如表3所示。经统计学分析，两组数据无显著性差异(P>0.05)。因此，本研究将超声温度确定为30 ℃。

表3 不同超声温度对微塑料回收率的影响Tab.3 Effect of Different Ultrasonic Temperature on Recovery Rate of Microplastics

2.4 定性和定量分析

2.4.1 检测模式

傅里叶显微红外光谱仪分别具有透射、反射及全衰减反射(ATR)3种采样模式和点、绘图及成像3种测量模式。透射模式和反射模式对检测基底、样品的厚度及透光性有很高的要求，且所能检测物质的粒径大于ATR模式；而ATR是通过ATR晶体与滤膜直接接触，采集接触面上的待测物质信息，操作简单，无需挑选、制备样品，且检测对象的粒径可小至几μm。测量模式中的绘图模式及成像模式可灵活应用于3种采样模式，实现了一定程度的自动化。其中，成像模式使用具有元件阵列的检测器可同时测量多个点，显著加快了测量速度。因此，本研究选用ATR成像模式进行信息采集。

2.4.2 空间分辨率

ATR成像模式的空间分辨率可设置为1.56 μm或6.25 μm。ATR晶体单次可检测最大区域为1 250 μm×1 250 μm。若对本研究二级抽滤获得的直径为3.7 mm的区域进行测定分析，在相同参数条件下(光谱分辨率为16 cm-1，每个像素点扫描2次，扫描速度为1 cm/s，红外光波长为4 000～750 cm-1)。当空间分辨率为6.25 μm时，检测一张滤膜需耗时3～3.5 h。当空间分辨率为1.56 μm时，检测一张滤膜需耗时约36 h。综合考虑图谱质量和检测时长，本研究将空间分辨率设置为6.25 μm。

2.4.3 匹配度

匹配度是指用数据来衡量某待测物质的红外光谱与相应纯物质的标准光谱的相似度，目前尚无文献给出标准化的匹配度参考值。本研究以PVC、PE、PTFE、PS、PA微塑料标准品为试验对象，按照本研究确定的试验条件进行前处理和仪器分析，将试验得到的谱图与标准谱库中相应塑料的标准谱图进行比对。结果显示，5种微塑料的匹配度均大于75%。考虑到实际水样中的微塑料可能在环境中经历自然老化过程，理论上与标准光谱的匹配度应小于本试验得到的匹配度。因此，本研究选择将70%作为匹配度确认条件，即当待测物光谱和标准光谱的匹配度达到70%以上时，认为该物质是某类微塑料。

2.5 方法准确度和精密度

本研究以PE微塑料为试验对象，将已知数量的微塑料加入到6份超纯水中，并定容至5 L，按照本研究确定的试验条件进行检测。结果显示，本方法的回收率在73.1%～92.0%，相对标准偏差(RSD，n=6)为8.7%，如表4所示。

表4 准确度和精密度试验Tab.4 Accuracy and Precision Tests

3 实际水样检测

采集4份末梢水样品，按本研究确定的方法对末梢水及全程序空白样中的微塑料浓度进行测定。扣除空白后，1#、2#、3#、4#水样中微塑料浓度分别为11.70、8.50、13.40个/L和5.90个/L。样品中检出的不同成分微塑料的构成如图2所示。由图2可知，聚缩醛(POM)、PTFE、PS、PVC、聚丙烯(PP)在4份水样中均有检出，其中POM是检出比例最高的微塑料类型，数量分别占4份水样中微塑料检出总数的64.1%、57.6%、47.8%和71.2%；PTFE次之，其检出数量分别占4份水样中微塑料检出总数的7.7%、5.9%、15.7%和5.1%；PS检出数量分别占4份水样中微塑料检出总数的0.9%、15.3%、11.2%、1.7%；PVC检出数量分别占4份水样中微塑料检出总数的2.6%、2.4%、0.7%、1.7%；PP检出数量分别占4份水样中微塑料检出总数的0.9%、1.2%、0.7%、3.4%。将此次检测到的聚酰胺(PU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂(Epoxy resin)及聚丙烯酸酯(Polyacrylate)等物质统称为涂料颗粒，涂料颗粒在1#、2#、4#水样中检出，检出比例分别为15.4%、9.4%、1.7%；PE在1#、3#、4#水样中检出，检出比例分别为2.6%、23.9%、8.5%；PET在1#、2#、4#水样中检出，检出比例分别为4.3%、7.1%、6.8%。PA仅在1#、2#中检出，检出比例分别为0.9%、1.2%；聚丙烯酰胺(PAM)仅在1#水样检出，检出比例为0.9%。初步分析，本研究检出的微塑料类型可能与制水工艺、输配水管道或防腐涂料有关，如POM常见于输配水管的接头，PTFE常见于水龙头管件与配水管接口处的生料带，PU、PMMA、环氧树脂及聚丙烯酸酯等常见于输水管内壁涂料等。上述仅是从成分角度进行的初步分析，其具体来源还有待进一步溯源和确证性研究。

图2 生活饮用水中不同类型的微塑料分布情况Fig.2 Distribution of Different Microplastics in Drinking Water

4 结论

本研究建立了可用于检测生活饮用水中微塑料的红外显微光谱测定方法。通过一级抽滤、消解、洗脱、二级抽滤等前处理过程，富集水样中的待测物质，采用傅里叶红外显微光谱仪的ATR成像模式进行定性和定量分析。本方法样品前处理简便，操作简单，检测时间成本较低，准确度和精密度均较高，可用于检测生活饮用水中的微塑料。