農田土壤中微塑料測試方法比較及應用研究

湯慶峰，王佳敏，李琴梅，高 峽，鄧平曄，邵 鵬，魏 煒，王紅燕

(北京市科學技術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、發泡等不同形貌類型。作為一種新型環境污染物，微塑料可在土壤中存在數年到數百年[2]，并在物理、化學與生物等多因素的相互作用下，發生不同尺度的遷移、轉化，對土壤理化性質、微生物群落、土壤動植物生長等產生不利影響，損害土壤健康，影響農業生產和農產品質量，對食品安全和人體健康構成潛在威脅[3]。

農田土壤中的微塑料來源復雜，形貌多樣，且大多發生了老化降解或吸附了其他雜質[4]，給微塑料的鑒別分析帶來困難。目前文獻中有關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]、熱裂解氣質聯用儀（Pyr-GCMS）[17-18]、熱重分析氣質聯用儀（TGA-GCMS）[19]、熱脫附氣質聯用儀（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-氣相色譜質譜法以及顯微-傅里葉變換紅外光譜法對農田土壤微塑料進行分析鑒別，探討各方法在農田土壤微塑料分析鑒別中的優缺點；并利用顯微-傅里葉變換紅外光譜法分析了新疆農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，FeSO4·7H2O），國藥集團化學試劑有限公司；過氧化氫（AR，H2O2），質量分數為30%，天津化學試劑有限公司；氯化鋅（AR，ZnCl2），天津市永大化學試劑有限公司；鹽酸：質量分數為36%～38%，優級純，國藥集團化學試劑有限公司；濃硫酸（AR，H2SO4），天津市福晨化學試劑廠。

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，北京聯合科儀科技有限公司。農田土壤樣品：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-質譜聯用儀，QP2010MS，日本島津公司；熱裂解儀，EGA/PY-3030D，日本Frontier公司；CDS5000裂解進樣儀，島津GCMSQPZolo型氣質聯用儀； HP-5MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilent，美國）；色譜質譜條件：進樣口溫度 ：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，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，去除樣品中的有機雜質；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三種模式對標準樣品進行測定，記錄-微塑料的顏色、大小及形狀，通過目標物紅外光譜圖與標準譜圖對比，對微塑料進行定性分析。

2 結果與討論

2.1 不同方法在微塑料鑒別中的應用

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助下，將微塑料從自然源及非塑料的人為源中挑取，并根據微塑料形態、結構等特點予以分類。

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）。土壤中的微塑料經過風化、降解，本身的色澤大多發生了變化，其表面吸附了較多的礦物等雜質，因此土壤中的微塑料不經處理很難被觀察到。而借助顯微鏡的放大功能，便可看到微塑料的細節特征，如顯微鏡下的PE微粒(b)和塑料殘片(d)，表面粗糙，形狀不規則。

圖1 樣品圖像

目檢法設備簡單，但鑒別準確性受到微塑料大小、顏色、形態等特性的影響，誤判、遺漏等現象在目檢法中時有發生。由于其具有操作簡單、成本低等顯著優點，仍然是目前常用的微塑料鑒別技術。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或選用熒光標記顯微鏡；3）若觀察到的纖維為線狀，并未發生彎曲、纏繞，則可能是生物源纖維，應予以剔除；對透明纖維或綠色纖維需要進行高倍放大檢查，以確認其性質，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組成進行微觀成像，能夠在清晰和高度放大倍數的條件下提供單顆類塑料顆粒的微觀形貌和化學組成特征，為區分微塑料和其他有機物顆粒提供了便利[13]。

將添加 PE 微粒 (＜500 μm)的土壤混勻，經粘樣、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)，形態極為不規則，表面凸凹不平，邊緣粗糙，多呈鋸齒形。該法圖像清晰，但只能獲得物質表面形態的圖像，不能對微塑料進行成分的判定。在微塑料鑒別中，常需結合能譜儀(EDS)，通過塑料顆粒的表面特性及元素分析對微塑料進行鑒定；如圖2(b)所示，經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 熱裂解氣質聯用（Py-GCMS）法

Py-GCMS 工作原理簡單，樣品在嚴格控制的環境下加熱，目標化合物在加熱的過程中逐漸熱裂解，成為可揮發性的小分子化合物，這些小分子通過聯用的氣相色譜分離，由質譜進行分析鑒定。根據裂解化合物定性、定量數據，反推樣品的結構和組成。由于此方法可直接對結構復雜、分子量大、極性強、沸點高的化合物進行分析，適合對高聚物以及其中的添加劑進行快速、準確的鑒定[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譜庫對樣品裂解產物質譜碎片進行擬合檢索, 檢索結果見表1。

圖3 樣品的總離子流色譜圖

表1 土壤樣品熱裂解化學組成分析結果

通過對比分析土壤熱裂解化學組分（表1）和PE顆粒的熱裂解產物（表2），發現土壤樣品裂解產物中存在典型的聚乙烯裂解產物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; 另外土壤的裂解產物中還含有鄰苯二甲酸酐，苯乙烯，而這兩種物質是不飽和聚酯的典型裂解產物。據此, 可以認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主要熱裂解產物

2.1.4 顯微-傅里葉變換紅外光譜法

聚合物的各種基團在紅外譜區有相應的特征吸收峰，可依據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準譜圖比對鑒定的優點，FTIR是目前最常用的微塑料表征技術[12]。顯微-傅里葉紅外光譜（micro-FTIR）是在紅外光譜技術的基礎上發展起來的一項新興的微區分析技術，與傳統的紅外光譜分析相比，顯微紅外光譜成像技術通過光譜分析技術與成像技術的結合，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處均出現了 PE 的特征吸收峰，結果表明顯微-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度、譜圖質量等方面存在差異。不同粒徑PE微塑料在透射模式下所得光譜信號相對較強，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，表明紅外譜圖的質量與檢測模式、樣品性質有關。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烈，因此該模式下的光譜信號強；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則且表面粗糙，該模式下易出現折射誤差，造成紅外信號不穩定，因此譜圖毛刺較多；而ATR模式是一種通過表面接觸進行分析的方式，通過附件晶體與樣品接觸來獲得樣品表層有機成分的結構信息，該模式不受樣品厚度、表面形態和基底噪音的干擾[22]，因此ATR模式下的譜圖質量均較好。

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偽[13]，需要借助立體/解剖顯微鏡和專業圖像軟件。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勢，分辨率可達到0.1 μm；但是樣品制備嚴格，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，可直接進樣等優點，通過待測樣品加熱后的分解產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，利用聚合物基團在紅外譜區的特征吸收峰，微塑料分析鑒別的準確性大大提高，而且FTIR法僅需通過過濾等簡單的預處理即可直接對每一個疑似塑料的顆粒進行圖譜分析，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果，而且還能獲取到微塑料的數量信息。Micro-FTIR 法充分結合了顯微鏡與FTIR的優點，在采集視場內顆粒圖像的同時，可獲得視場內每一個像元對應的紅外譜圖，能滿足小粒徑微塑料檢測及區域范圍檢測的要求。

因此，綜合比較各方法在土壤微塑料分析鑒別中的應用，非破壞性的紅外光譜分析技術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，進行多次、多途徑分析，獲得不同的分析參數；而且Micro-FTIR法的反射、透射和ATR三種測量模式都可應用于微塑料的檢測，依據樣品特點靈活選擇測量模式，操作簡單。

2.3 Micro-FTIR（ATR）分析農田土壤微塑料

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

表3 新疆農田土壤微塑料分析結果1）

目檢統計0～30 cm 土層微塑料豐度，新疆農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%，可見新疆農田土壤中尺寸越小的微塑料數量越大。對新疆農田土壤微塑料進行顯微-紅外光譜分析，顯微圖像和對應紅外譜圖見圖5。經統計，所測農田土壤中共鑒別出8種材質的微塑料，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 結束語

本文探討了目檢法、掃描電鏡/能譜法、熱裂解氣質聯用和顯微-傅里葉變換紅外光譜法在土壤微塑料鑒別分析中的應用，通過對比各方法在土壤微塑料鑒別中的優缺點，得出以下結論：

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勢，可獲取材料的元素組成信息，但不能對材料進行準確定性；熱裂解氣質聯用法樣品用量小，可直接進樣，可通過樣品裂解產物來推斷組分，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，結合顯微鏡還可獲得微塑料顆粒的大小、形貌和數量信息；在分析新疆農田土壤中微塑料的應用中，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。