水環境中微塑料檢測實驗室建設研究

孫 銘，王 嘉

（1. 江西省生態環境科學研究與規劃院，江西 南昌，330039；2. 江西省水利科學院，江西 南昌，330029）

0 引言

2020 年在《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出“重視新污染物治理”[1]。微塑料是一種新污染物，指粒徑小于5mm 的塑料碎片、顆?；蛘弑∧?，主要由塑料制品排入水環境或塑料垃圾經過分解產生[2，3]。

微塑料污染的環境與健康風險防控已在世界范圍內廣泛開展，各國尤其是發達國家逐漸建立了微塑料調查與監測制度，開展了監測與評估，構建了監測數據平臺[4]，微塑料領域科研工作的首要工作就是檢測數據的獲取，有大量的論文對環境中微塑料檢測技術進行了歸納與總結。但是，水環境中微塑料的研究不僅涉及檢測，還包括采集、前處理、檢測、質量控制等流程，建設一個規范化全流程的微塑料檢測實驗室是落實檢測技術的不可或缺的硬件條件。本文根據微塑料樣品采集、前處理、檢測、質量控制等多個環節提出相對應的檢測設備和這些核心設備的安裝關鍵條件，為微塑料檢測實驗室的規范化建設提供參考。

目前國內外沒有統一微塑料標準檢測方法，除我國遼寧省出臺了“DB21/T 2751-2017 海水中微塑料的測定傅立葉變換顯微紅外光譜法”，適用于海水中微塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚對苯二甲酸乙二酯等七類物資）的識別和測定外，各檢測方法暫時均停留在實驗室科研階段，但是各發達國家正大力推動標準化的分析解決方案、方法和實踐。當前微塑料檢測方法主要有目視觀察法、顯微拉曼光譜法、電子掃描顯微鏡法、傅里葉變換紅外光譜法、熱裂解—氣質聯用法以及激光直接紅外光譜檢測法等，這些方法的檢測效率、分辨率、濃度（豐度結果）、顆粒計數/粒徑分布的計算方式、微塑料中添加劑檢測能力、核心設備費用等的對比情況詳見表1。

表1 不同的微塑料檢測方法對比

1 微塑料水樣采集工具

水環境中微塑料的采樣是進行微塑料檢測的第一步，實驗室應合理配備齊全的涉及微塑料科研樣品的收集裝置。

1.1 采樣器的選擇

水環境中微塑料污染的研究，主要的采樣工作為采集水生生物類和直接采集水樣。

采集水生生物類時，主要分為采集浮游生物和常規魚類。水環境中的微塑料常通過粘附、包裹在生物體內，需要通過濃縮樣本法采集水體中的浮游生物，常用的有蝠鲼網、浮游生物網[5]；而采集魚類等大型水生生物，準備好常規的漁網即可。

直接采集水樣時，我們常用的水質采樣器的材料有有機玻璃和不銹鋼兩種。為避免塑料的干擾，應采用不銹鋼材料的水質采樣器。常規的水質采樣器易于收集樣品，樣品大小齊全，可用于收集樣品量較小的水樣。對于采集空間分布是高度可變的、大體積的水樣，需配備移動式水泵，采集樣品過程中要避免汽油泄漏或電池漏液等對水體造成污染[6]。

1.2 采樣的安全保障措施

水環境采集過程中，需穿救生衣、浮力氣囊等救生裝置，防止人員落水。在存在血吸蟲的水域，如江西的鄱陽湖水域，應嚴格佩戴橡膠水套，避免水樣與人體直接接觸。

綜上所述，微塑料實驗室需一個采樣設備間，儲備浮游生物網、蝠鲼網、不銹鋼材料的水質采樣器、移動式抽水泵、漁網、救生衣、浮力氣囊等若干套作為采樣設備。

2 樣品的前處理

2.1 樣品的消解

為使微塑料從生物組織中充分游離出來，需要根據樣本種類和科研目的的不同選擇強堿、強酸、氧化或酶消解[7]。其中常用到的消解試劑有KOH、NaOH、HCl、HNO3、HClO4、H2O2、NaClO 或蛋白酶等[8-10]，其中在實驗室建設過程中，必須根據《科研建筑設計標準》（JGJ91-2019），設置專用的消解室，消解工作在實驗操作過程中，有高溫和劇烈的化學反應，要保障好實驗人員的安全，配置好足夠的應急噴淋措施，以防試驗人員被藥品污染；建設過程中，必須根據實驗室變風量排放柜標準（JG/T 222-2007）配置排風柜，平均面風速度應達到0.5m/s，臺面應采用防腐蝕、耐高溫的陶瓷臺面。因為環氧樹脂本身為塑料的一種，會干擾微塑料的檢測，因此不能使用常見的環氧樹脂臺面。

2.2 微塑料的分離

在實際操作過程中，微塑料和水體中的各種顆粒物共存，導致通過顯微鏡不能準確識別和計算[11]，需要通過過濾法或浮選法進行分離。研究表明，因高聚物較難完全脫離沉積物，會導致微塑料的分析結果嚴重偏低[12]，當前一般采樣用過濾法來進行分離。因此，建議建設水環境微塑料的實驗室時，應至少建設兩間前處理室：一間用來開展消解工作，配備排風柜設施；一間為開展分離工作的前處理室；兩間前處理室距離應盡量短，使微塑料樣品前處理工序更便捷，減少中間過程造成的干擾。

3 微塑料檢測分析方法及儀器設備的選擇

3.1 目視觀察法相關儀器設備的選擇

目視觀察法主要為肉眼目視法及顯微鏡法。粒徑大于等于1mm 的微塑料顆?？捎萌庋劭焖勹b別和計數，采用適當的染色方法能夠提高檢出率及準確率[13]。當檢測飲用水等水質較高的水時，由于其中的微塑料一般粒徑較小，需染色后使用顯微鏡進行觀察和確認，通常用的顯微鏡為采樣體視顯微鏡，顯微鏡放大了物體表面的紋理和結構，可用于識別尺寸在100μm 以上的微塑料。有研究表明：利用普通光學顯微鏡觀測微塑料時，出錯率大于20%，如果觀測樣品為透明無色樣品，出錯率大于70%[14]，主要可能是在大氣中存在浮游菌和沉降菌，因沉降菌的粒徑較大，容易干擾微塑料顆粒的觀察，應減少其對觀測的干擾。綜合考慮實驗室建設的經濟適用性，按照《潔凈室施工及驗收規范》（GB50591-2010）標準進行建設，根據《醫藥工業潔凈廠房設計規范》（GB50457-2008），10000 級潔凈室是適用于目視觀察實驗的。

3.2 顯微拉曼光譜法相關儀器設備的選擇

拉曼光譜作為常用的表征手段之一，其在微塑料的研究中得到廣泛應用。其原理是通過激光束落在物體上，光與材料的振動因能量交換產生不同頻率的散射光，從而產生獨特的光譜。分析拉曼散射光，從中獲得樣品的化學和結構方面的信息，并與標準譜庫進行檢索比對，可識別微塑料的種類，是僅有的可對1～20 μm 微塑料進行高質量無損檢測的設備，常用于對微塑料的降解階段的研究[15-16]。目前出現的表面增強拉曼光譜可用來分析1～100nm 之間的低密度納米塑料[17]。但當微塑料表面附著生物活性物質、有機物質、無機物質時均會影響其測定效果。因此測定前需對樣品進行有效的前處理，須通過稀酸或稀堿來去除微塑料表面的干擾物質。

拉曼光譜儀價格昂貴，對實驗室條件較為苛刻，實驗室設計布局除須要滿足《科學實驗室建筑設計規范》（JGJ91-2019）（以下簡稱《設計規范》）等標準外，揮發性的有機物會對儀器的檢測造成干擾，因此該儀器應設置專門房間放置采樣光學平臺，不能與其他有機物檢測設備置于同一個房間。同時，為方便檢測弱信號樣品，房間應做好遮光防塵措施，并通過在實驗室內安裝恒溫恒濕空調等手段，使室內環境常年維持在24～26℃，相對濕度小于65%。

3.3 電子掃描顯微鏡法相關儀器設備的選擇

電子掃描顯微鏡（SEM）最小分辨率可達0.1 μm。其原理是利用聚焦高能電子束掃描樣品，通過高能電子束與物質間的相互作用，激發物質的物理信息，通過收集信息、處理信息表征物質微觀形貌的方法，可使用SEM 對表面形態進行鑒定。有研究表明，小于1 mm 的微塑料可能被遺漏或計數錯誤。

電子掃描顯微鏡對實驗室的環境有極高的要求，使用掃描電鏡時，樣品必須是固體、無毒、無放射性，室溫保持在15℃至30℃，濕度小于等于70%，實驗室的空間磁場應使交流磁場和直流磁場滿足安裝要求。實驗室的位置應遠離公路、鐵路、地鐵、電梯等振動源。

3.4 傅里葉變換紅外光譜法相關儀器設備的選擇

傅里葉變換紅外光譜法是當前國內唯一有地方標準出臺的檢測方法?？捎酶道锶~紅外變換顯微紅外光譜儀通過MCT（mercury cadmium telluride）檢測器對濾膜上的目標物進行判別，因傅里葉紅外光譜儀檢測能夠提供樣品的特定化學鍵信息，含碳的有機物能夠通過這種方式被檢測出來；由于不同的化學鍵能夠產生其特有的光譜，從而將其與其它有機和無機物成分分開。再通過查聚合物譜庫，判別樣品是否為塑料以及該塑料的聚合物類型。該方法既可以定性又可以定量，是一種可對微塑料檢測的較為全面研究的儀器。

但是該種儀器對鹵代烴或鹵化物敏感，MCT 檢測器的SnZe 窗口材料對鹵化物極其敏感，而常規化學實驗室可能會產生這些敏感的氣體，因此安裝該儀器時應與常規化學實驗室隔開，單獨設立儀器室，保持儀器室恒溫恒濕，環境溫度要求能控制在17～27℃范圍，環境濕度應嚴格控制在60%以下，遠離水源。儀器室應盡量密閉，設置緩沖間，安裝雙層玻璃窗。傅里葉變換紅外光譜儀常需要和與氣相、熱重儀等其他儀器聯用，所以臺面應采用較硬實材料，厚度以確保臺面不會因儀器過重被壓迫變形為準，以避免影響儀器聯用的接口準直，而導致光路的偏離。

3.5 熱裂解-氣質聯用法（Pyr-GC/MS）相關儀器設備的選擇

氣質聯用儀（GC/MS）通常用來定量檢測樣品中相對應有機物含量，通過熱裂解儀（Pyr）聯用，使微塑料在嚴控溫度范圍內加熱，使其裂解為可揮發的小分子，再經過氣質聯用儀分離和檢測，根據裂解產物推斷高聚物的組成和結構，鑒別待測物的種類和含量，從而實現檢測微塑料的定量檢測[18]。但是因解析管尺寸限制，只可以檢測小于1mm 的塑料顆粒，操作流程繁瑣，耗時較長，現在沒有專用的微塑料熱解器，并且質譜圖解析困難，因此該方法暫未普及和廣泛應用，可進一步研究探索[19]。

熱裂解-氣質聯用儀屬于較昂貴的精密儀器，儀器室應將溫度保持在20～27℃，相對濕度不超過80%。該套設備通常重量很大，需要有實驗臺長不小于2.5m，寬不小于0.8m，承重不小于120kg。因氣質聯用儀須要用到高純氦氣，若有化學源（CI），需配備高純甲烷氣，沒有集中供氣系統的實驗室房間應留好氣瓶柜的位置，必須配上相應的、分壓表大于5kg 的減壓閥，并且安裝試漏。

3.6 激光直接紅外光譜檢測法（LDIR）相關儀器設備的選擇

激光直接紅外光譜檢測法是最近出現的一種方法，該方法具有檢測速度快，識別能力強的特點，能識別5μm 到100μm 幾乎所有種類的微塑料，平均8 秒鐘測試一個，是當前微塑料檢測最快的方法之一。激光直接紅外光譜檢測儀屬于較昂貴的精密儀器，儀器室應將溫度保持在20～30℃，溫度變化每小時不超過±1℃，相對濕度維持在50%至80%。該儀器應避免靠近暖氣、空調或風扇等易引起空氣擾動的設備；同時應注意遠離強磁場，距離超導磁體至少5.5m 以上，遠離高壓電站，大變壓器或大功率及高頻設備。為避免有機氣體腐蝕儀器外殼、內部光學和電子元器件，儀器放置的環境應保證干凈、清潔，嚴格避免腐蝕性、揮發性試劑長時間接觸，如濃硫酸、氟利昂、四氯化碳等。

4 質量控制要求

做好微塑料檢測實驗室的質量控制，建立標準化的微塑料分析測試方法至關重要。當前上海市環境科學學會批準立項了《環境水體中的微塑料的測定傅里葉變換顯微紅外光譜法》團體標準，中國紡聯標準化技術委員會（中國紡聯標委函〔2021〕3 號）發布了關于下達21 項團體標準計劃項目的通知，其中就包括了《纖維微塑料術語、定義和分類》《纖維微塑料鑒別試驗方法》《地表水環境纖維微塑料分析測試方法》，其中，《T/CSTM 00563—2022 景觀環境用水中微塑料的測定傅里葉變換顯微紅外光譜法》已經于2022 年2 月21 日公布，2022 年05 月21 日實施。2021 年4 月13 日，中國水利企業協會發布通知，對《地表水中微塑料的測定（征求意見稿）》征求意見，標準中涉及了顯微拉曼成像光譜法、傅立葉變換顯微紅外光譜法等。

在對微塑料進行檢測時，應在整個過程中采取嚴格的質控措施。首先，應進行實驗全過程空白分析，主要措施是將采樣前在實驗室封裝好一樣品瓶高純水帶到采樣現場。采樣時，該瓶高純水應與采樣的樣品瓶同步開蓋、取水、封裝，帶回實驗室后與待測樣品進行相同的操作步驟進行試驗，以檢測從采集到分析全過程是否污染，每批樣品應至少測定一個全過程空白，如果測定結果表明過程有污染且不可忽略，應追溯污染來源并消除。在現場采樣中，還可通過重復采樣來提高監測數據的可靠性。

檢測工程中，應確保檢測實驗室的規范可靠；實驗人員使用乳膠手套和棉質實驗服，實驗設備使用鋼或玻璃設備，實驗所用耗材應盡量采取非塑料材料或盡量避免接觸塑料設備，檢測過程中應減少通風和樣品暴露時間，樣品暫存時應用鋁箔覆蓋表面以防止其與空氣接觸；檢測用工具和容器應用離子水仔細清洗。

5 結語

建設規范化的水環境微塑料檢測實驗室是開展水環境中微塑料科學研究和環境監測的基礎。建設水環境微塑料檢測實驗室主要從建立檢測方法、添置采樣設備和檢測設備、做好質量控制等三個重要方面做好相關工作。

研究單位應配置齊全的采樣設備和樣品容器，以適應不同的研究需求和采樣條件。同時，可以根據現有基礎條件以及相關研究方向選擇需要的設備，并根據儀器需要的實驗室條件進行配套，以微塑料豐度（number/L）研究為主要方向的，根據跟分辨率和檢測速度不同選擇體視顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、電子掃描顯微鏡、激光紅外成像儀以及激光直接紅外光譜檢測儀；以微塑料濃度（μg/L）研究為主要方向的，可選擇熱裂解氣質聯用儀。

微塑料的研究尚處于起步階段，目前僅有遼寧省出臺了相關檢測的標準方法，未來研究人員需思考如何開發出一種或多種可在全國推廣的的檢測方法以及開發不同濃度的微塑料標準物質。