姚情璐，杨 超,2，*，翟宇辉，马 瑜，陈 玲,2

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

塑料是一种高分子聚合物，具有耐用、防水、抗腐蚀能力强等优良的物理化学特征。自20世纪50年代起，塑料被大量生产、使用及丢弃。水体中的废弃塑料在物理、化学、生物等作用下，逐步被降解为粒径小于5 mm的微颗粒，成为一种有机污染物和金属污染物的主要载体。早在20世纪70年代，微塑料颗粒就已经在海面上被首次发现[1]，2011年，联合国环境规划署(UNEP)正式将海洋微塑料引起的环境问题列为重要议题，微塑料也逐步得到了人们更多的关注。

微塑料作为一种新型的环境污染物，因塑料其本身的化学性质，通常具有很强的疏水性和持久性，进入环境水体中的大部分微塑料很难在短时间内被自然降解。尤其在海洋环境中，微塑料可通过风力、河流及洋流等作用进行远距离的迁移，目前已普遍存在于全球的生态系统中。由于微塑料比表面积高、亲脂性强，在水体运动过程中，其表面极易吸附有毒污染物。水生生物误食携带污染物的微塑料后无法消化，从而微塑料就进入了海洋生物链，并且在各生物体内富集，释放有毒副产物，最后对人类健康也构成风险。

目前，各国学者对水体中的微塑料污染进行了诸多研究，但处理方法、鉴定方法等分析方法仍存在较大差异，导致研究结果无法相互印证。微塑料的采集、预处理过程是分析微塑料的重要过程，但大部分过程易丢失、损伤微塑料或受到微塑料污染，直接影响微塑料定量分析的可靠性。大量学者同样对微塑料的定量与定性方法进行研究，但主要关注在各方法的差异性，缺乏对主流推荐技术的描述。如Lee等[2]综合分析了各常见定量、定性分析方法的适用性与局限性；Xu等[3]介绍了拉曼光谱(Raman spectra)与傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared，FTIR)在微塑料鉴定上的应用对比；Pealver等[4]对基于热裂解-气相色谱质谱联用技术(Py-GC-MS)、热重分析(TGA)等技术的微塑料鉴定方法进行了综述，但均未提出一套适合检测水环境微塑料的全流程分析方法，并且对新兴主流方法micro-FTIR的介绍欠详实。本文在国内外研究的基础上，对水体中微塑料的采集、提取和鉴定等方法进行归纳与总结，并集中介绍micro-FTIR在微塑料定性、定量分析上的应用，以期为对开展环境水体中微塑料研究提供技术保障。

1 微塑料采集与提取方法

1.1 水体样品采集方法

在水体中，目前使用较多的采集方法是样品浓缩法、大样品法。样品浓缩法即在采样现场结合采样点的位置选择Manta拖网、Neuston拖网等不同的浮游生物网对微塑料进行收集[5]。选择合适孔径的浮游生物网是该法的关键，孔径过小将导致各类悬浮物质堵塞网孔，孔径过大将丢失小粒径、纤维状的微塑料[6]。为解决由于孔径限制无法捕捉小颗粒微塑料的问题，可选择大样品法，即利用水泵[7]或不锈钢桶[8]直接对水样进行收集，水样冷冻保存后运回实验室，过滤富集后进而获得微塑料[9]。

表1列举了部分研究对微塑料的采集过程、浓度范围及粒径分布情况。水体中微塑料丰度较小，粒径较小，无法通过目检进行分离。Liu等[10]对比了在同一地点使用样品浓缩法和大样品法所检测到的微塑料浓度差异，采用大样品法所测得的浓度高于样品浓缩法约3个数量级。通过粒径分布可以看出，使用样品浓缩法时其粒径分布极易受拖网孔径影响，且小粒径占比明显低于大样品法，使用大样品法得到的粒径分布较样品浓缩法而言更加完整。因此，认为大样品法更加适合于水体样品[11]。

表1 环境样品中微塑料的主要采集方法

1.2 水体中微塑料提取方法

水体环境复杂，微塑料颗粒较小，在水体中易互相黏连，呈团聚状，往往需要通过预处理对微塑料样品进行提取。下文重点介绍消解净化、密度浮选和过滤处理3种提取方法。

1.2.1 消解净化

由于微塑料具有比表面积大的特征，其表面易吸附有机物、生物物质等杂质，会严重影响微塑料成分分析的准确度，因此，需要使用化学法、生物法对微塑料进行净化。目前，常用的消解净化液为30% H2O2[18-19]、芬顿试剂(H2O2+Fe2+)[1,20]、强酸强碱[21]、生物酶等。不同的消解净化液对有机物、生物物质的消解效果不同，微塑料的回收率也不同。研究表明，在室温下强酸强碱难以完全消解表面附着物，并会损害微塑料表面，而35% H2O2溶液能溶解生物物质，并且在催化剂Fe2+的作用下，H2O2能够更高效地消解难以消解的有机物，该方法具有回收率高、对微塑料形状改变较小的优点[22]。生物酶作为消解液，具有与H2O2相同的优点，但保持生物酶的活性比较困难，并且消解耗时较长，限制了该方法的应用。

1.2.2 密度浮选

当水样中存在大量沉淀物或进行消解净化后，使用过滤处理无法对微塑料进行有效分离时，密度浮选可以作为过滤处理的辅助方法。表2列举常用浮选液与对应可浮选塑料类型。微塑料的密度一般为0.8～1.4 g/cm3，约46%的微塑料会漂浮在水面上，而剩余密度相对较高的微塑料可利用高密度的饱和盐溶液进行浮选分离。由于NaCl便宜、无毒、易获取，饱和NaCl溶液(ρ=1.2 g/cm3)是研究中最常用到的盐溶液[12,23]。对于更高密度的微塑料，常结合饱和ZnCl2溶液(ρ=1.6 g/cm3)、饱和甲酸钾溶液(ρ=1.6 g/cm3)、饱和NaI溶液(ρ=1.8 g/cm3)进行进一步分离。

表2 浮选液与可分离微塑料类型[11]

1.2.3 过滤处理

过滤处理是从水体中提取微塑料的必需过程。根据目标微塑料的尺寸来选择合适的筛网或膜过滤器，将目标微塑料颗粒分级存留在滤膜上，从而获取水体中微塑料粒径分布特征。不少研究使用不同孔径堆叠筛进行粒径筛分[15,20]。筛分过滤处理操作简单，不会对微塑料的表面结构或其他物理特性造成影响。但主要的缺点是微塑料易卡在滤膜孔隙中，导致所测得微塑料浓度偏小；并且各学者选择的孔径并不一致，致使各地区微塑料浓度数据不具有可比性，亟需统一的粒径划分来规范化滤膜孔径的选择。

消解净化能够去除最多杂质，但同时消解液的选择、用量、温度均会影响微塑料表面的完整性；密度浮选操作较为简单，浮选液的腐蚀性较小；过滤处理操作过程简单，但是对微塑料的定量分析的准确性会产生影响。目前大部分研究均使用了以上3种方法，表3列举了部分研究的提取方法及回收率。使用多种提取方法能够获得较为洁净的微塑料，为定性分析提供良好基础，但无法避免在转移过程中产生的损失，因此，需根据水样的水质和微塑料赋存情况来选择预处理的步骤[24]。

表3 环境样品中微塑料的主要提取方法

2 微塑料的分析方法

环境水体中微塑料的成分、粒径和表面结构将决定其环境行为。分析微塑料的粒径分布、表面结构可获得水中塑料的降解速率，且不同粒径的微塑料对水生生态系统有不同的反应机制和毒性影响；不同极性的微塑料易携带的污染物也不同，微塑料的成分分析可为溯源工作、降解转化提供有效信息。因此，现阶段应对微塑料成分、粒径和表面结构等方面展开研究。

2.1 物理形态表征分析

微塑料的粒度特征、结构表征均可使用显微镜进行判定，但由于分辨率的限制，光学显微镜仅适合识别粒径大于1 mm的微塑料颗粒。为了实现对微塑料的高效检测，扫描电子显微镜-能量分散光谱联用仪(SEM-EDS)既能够获取微塑料的表面特征、粒径大小，也能够获取样品的化学成分，可对微塑料进行鉴定[18]。

2.2 定量分析

2.2.1 计数法

目前，微塑料的丰度常采用个数计量表示方式，现阶段最常用的定量方法是传统的人工计数，即在显微镜下对微塑料颗粒进行分组，主观计数，计算微塑料丰度。人工计数法操作简单、成本低，但该法易受肉眼识别、背景干扰等因素影响，人为误差随微塑料粒径减小而显著提升。显微镜与FTIR的结合能够有效提高识别微塑料的准确性，李珊等[26]使用衰减全反射(attenuated total reflection，ATR)成像模式下的micro-FTIR对饮用水中的微塑料进行定量检测。基于焦平面阵列(focal plane array，FPA)探测器的ATR-micro-FTIR能够同时扫描多个区域内的目标微塑料，自主分析红外成像并计数，有效减少人为误差及检测时间，高效获取微塑料丰度[27]。

2.2.2 质量浓度法

近年来，常使用热分析法对微塑料的质量浓度进行定量，表4给出了文献[2-4]的研究结果。Py-GC-MS利用热分析仪在无氧条件下将微塑料化学键断裂，生成低分子量的挥发性物质，利用气相色谱/质谱进行定量分析，检出限(LOD)在pg～mg[2,4]，还可避免有机添加物的干扰。Scherer等[21]采用Py-GC-MS对水体中的微塑料进行了定量分析，通过将特征热解产物的峰值强度与校准标准曲线的结果进行比较来计算聚合物丰度。热重分析-差示扫描量热法联用技术(TGA-DSC)结合这两种热技术的优点，当样品进行吸热或放热时，在DSC系统中产生的峰是定量分析的依据，对于具有较高的吸热吸收率的PE，其LOD可达1 mg[28]。相较于计数法，使用热分析法能够规避主观计数的高误差率；同时热分析仪器对样品适应性高，微塑料表面的附着物对结果影响较小，可减少样品预处理步骤；主要缺点为该法具有破坏性，无法实现微塑料的预富集，且每次检测量很小，不适合批量检测。

表4 微塑料的分析仪器对比

综上，在定量分析上更加推荐具有自主分析能力、表述单位直观的micro-FTIR，在有条件的情况下，可使用Py-GC-MS对微塑料的质量浓度进行补充检测。

2.3 成分鉴定分析

构成微塑料的有机物具有不同的官能团，常通过分析样品产生的特征光谱来识别微塑料的化学组成，最常使用的为FTIR[8]和Raman spectra法[23]，如表4所示。

塑料聚合物具有高度特异性的红外光谱和独特的波段模式，使FTIR成为不少学者首选技术之一。在FTIR中，样品吸收不同频率的红外光后，根据分子不同的偶极矩变化而产生红外光谱对微塑料进行成分的鉴定，更适用于具有极性官能团的微塑料的检出，如PVC、PA等。为满足小粒径微塑料的检测要求，micro-FTIR逐步得到发展。micro-FTIR具有透射、反射、ATR这3种测试模式。透射模式适用于透光性较好的微塑料，无法对较厚的微塑料样品进行检测；反射模式的谱图质量主要取决于样品表面粗糙度，检测表面粗糙且不规则形状的水体微塑料样品时，可能会由于折射误差而影响分析结果[29]；ATR模式的信息均直接采集于样品表面，不受样品厚度、表面粗糙程度、背景噪音等干扰，但耗时长，时间效益低[27]。基于FPA的micro-FTIR则可以对载物台上的微塑料样品进行高通量分析，缩短检测时间，同时降低粒径检出下限，可检测10 μm以上的颗粒。Xu等[3]指出FPA探测器可以收集非均质微塑料粒子的空间和光谱信息，克服了FTIR无法对较厚微塑料检测的弊端。micro-FTIR将FTIR的定性分析技术与显微镜的微观可视化技术进行结合[30]，可在获取微塑料的空间结构的基础上获得特征化学成分，避免样品在各仪器间转运所产生的损失。Löeder等[29]使用基于FPA的micro-FTIR对样品中的微塑料进行分析，通过谱图比对后，仅有1.4%的颗粒属于塑料颗粒。由此可见，净化处理仍无法避免形貌相似的杂质混入样品中，表面特征观察和成分鉴定同时进行能够减少重复劳动，为微塑料鉴定节约大量时间。同时由于其具有操作简单、成本较低、对样品无损害、检测结果更直观、准确、效率高等优点，基于FPA的micro-FTIR被认为是当前检测微塑料的理想方法。

Raman spectra法根据分子在振动模式下极化率变化来获取样品分子结构的信息，因此，能更准确地识别具有非极性官能团的分子，如PP、PE、PS等。由于Raman光谱法具有相较于红外光谱更宽的光谱范围以及更高的分辨率，有效地扩大了可检测的成分种类以及粒径范围，可对粒径小于1 μm，甚至粒径更小的微塑料颗粒进行鉴定。Xu等[31]研究发现，表面增强Raman spectra可以对(单个)微纳米塑料检测和识别，检测尺寸低至360 nm。然而样品表面的微生物、污染物会产生荧光干扰，对样品预处理提出了更高的要求。

热分析法是一种基于聚合物结构在500 ℃以上的温度下进行分解的技术，通过对热分解气体进行表征，获得微塑料化学成分信息。Py-GC-MS、TGA-DSC等方法可在测定质量浓度的同时对微塑料组成成分进行鉴定，但该方法具有破坏性，且结果易受表面无机污染物影响。

综上，各分析方法间呈现互补性，现阶段仍推荐使用micro-FTIR与Raman spectra对微塑料进行成分鉴定。水环境中微塑料样品分析推荐流程如图1所示。

图1 水环境中微塑料样品推荐分析方法

3 结论

(1)不合适的微塑料采样方法易丢失微塑料或引入微塑料污染，不同的微塑料提取方法会对微塑料造成不同程度的不可逆损伤。使用大样品法采集水体中的微塑料能够更好地保留水体中的粒径分布；在提取水体中微塑料的过程中，推荐根据水样水质和微塑料浓度选择使用筛分过滤、消解净化和浮选的预处理方法，并优化调整以满足不同分析仪器的要求。但在分析过程中，仍需制定统一的微塑料的粒径划分标准，并建立与粒径相关的浓度单位，实现全球各地的微塑料浓度的可比性。

(2)微塑料的定量分析中人工计数误差大；Py-GC-MS准确度高，但表述单位不统一；基于FPA的ATR-micro-FTIR能够实现多区域扫描计数，快速、准确获取微塑料丰度，是微塑料定量分析的理想手段。定性分析中推荐使用电子显微镜、micro-FTIR及Raman spectra法。电子显微镜可直观地获得样品颗粒物理特征，进行初判；micro-FTIR所受干扰因素少，谱图质量良好，Raman spectra法与之互补，检测更小粒径的微塑料，对目标微塑料进行进一步鉴定。

(3)目前的分析技术仍停留在对单成分、μm级微塑料鉴定，对多成分、nm级微塑料进行鉴定仍较为困难。nm级微塑料具有较大的比表面积，在水体交互作用中更易携带更多的污染物。应发展nm技术在检测nm级微塑料上的应用，拓宽检测粒径范围；将形态学与人工智能算法融合，实现准确、高效的微塑料形态识别和计数。