农田土壤中微塑料测试方法比较及应用研究

汤庆峰，王佳敏，李琴梅，高 峡，邓平晔，邵 鹏，魏 炜，王红燕

(北京市科学技术研究院分析测试研究所（北京市理化分析测试中心），北京 100089)

0 引 言

微塑料是指环境中粒径小于5 mm的塑料类污染物[1]，包括碎片、纤维、颗粒、发泡等不同形貌类型。作为一种新型环境污染物，微塑料可在土壤中存在数年到数百年[2]，并在物理、化学与生物等多因素的相互作用下，发生不同尺度的迁移、转化，对土壤理化性质、微生物群落、土壤动植物生长等产生不利影响，损害土壤健康，影响农业生产和农产品质量，对食品安全和人体健康构成潜在威胁[3]。

农田土壤中的微塑料来源复杂，形貌多样，且大多发生了老化降解或吸附了其他杂质[4]，给微塑料的鉴别分析带来困难。目前文献中有关微塑料的分析鉴别方法包括：目检法[5]、扫描电镜-能量色散X 射线联用[6-8]、傅里叶变换-红外光谱（FTIR）[9-13]、拉曼光谱（Raman）[14-16]、热裂解气质联用仪（Pyr-GCMS）[17-18]、热重分析气质联用仪（TGA-GCMS）[19]、热脱附气质联用仪（TDS-GCMS）[20]等方法。上述方法在土壤微塑料分析鉴别中的应用研究较少，更缺乏方法间相互的比较研究。本研究利用目检法、扫描电镜/能谱法、热裂解-气相色谱质谱法以及显微-傅里叶变换红外光谱法对农田土壤微塑料进行分析鉴别，探讨各方法在农田土壤微塑料分析鉴别中的优缺点；并利用显微-傅里叶变换红外光谱法分析了新疆农田土壤中微塑料的分布及组成特征。

1 实验部分

1.1 主要原料

七水硫酸亚铁（AR，FeSO4·7H2O），国药集团化学试剂有限公司；过氧化氢（AR，H2O2），质量分数为30%，天津化学试剂有限公司；氯化锌（AR，ZnCl2），天津市永大化学试剂有限公司；盐酸：质量分数为36%～38%，优级纯，国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸（AR，H2SO4），天津市福晨化学试剂厂。

聚乙烯(PE)颗粒，牌号HDPE8008H-1，广州博峰化工科技有限公司；不锈钢滤膜，孔径10 µm&20 µm，直径47 mm，北京联合科仪科技有限公司。农田土壤样品：采自新疆玛纳斯棉田（0～30 cm）表层土壤。

1.2 主要设备及仪器

全自动冷冻研磨仪，Cryomill，德国莱驰（Retsch）公司；真空泵，AP-01P，天津奥特赛恩斯仪器有限公司；台式数控超声波清洗器，KQ-600DV，昆山市超声仪器有限公司；超景深三维显微镜，VHX-600，日本基恩士（KEYENCE）公司； 扫描电镜/能谱，Hitachi S4800，日本日立（Hitachi）公司；傅里叶变换红外光谱仪，VERTEX 70v-HYPERION2000，德国布鲁克（Bruker）公司；检测范围 4000 ～400 cm-1，扫描次数32次，分辨率4 cm-1，液氮冷却MCT检测器。

热裂解实验条件：裂解温度 500 ℃；裂解时间10 s，裂解氛围 空气。

气相色谱-质谱联用仪，QP2010MS，日本岛津公司；热裂解仪，EGA/PY-3030D，日本Frontier公司；CDS5000裂解进样仪，岛津GCMSQPZolo型气质联用仪； HP-5MS 色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 µm，Agilent，美国）；色谱质谱条件：进样口温度 ：280 ℃，载气：He，流量：1.0 mL/min，分流比：10∶1，升温程序：50 ℃（2 min）-10 ℃/min-140 ℃（1 min）-10 ℃/min-280 ℃（1 min），GC-MS 接口温度：280 ℃，离子源：EI源，电子能量：70 eV，扫描范围：29～350 amu。

1.3 样品制备

1.3.1 微塑料颗粒样品制备

聚乙烯（PE）样品经液氮冷冻研磨处理，过筛，筛分出不同粒径大小的微塑料颗粒：＜80 µm、80～180 µm、180～300 µm、＞300 µm。

1.3.2 土壤微塑料样品制备

将风干土样置于白瓷盘中，用木锤敲打或手动研磨，拣出碎石、砂砾、植物残体等杂质，混匀，过孔径5.0 mm不锈钢筛。称取适量过筛后的土壤样品,溶于饱和氯化锌（ZnCl2）水溶液中，加盐酸1.0 mL，振摇混合制得土壤悬浮溶液；静置分层，不锈钢滤膜(20 µm)过滤分层后的上清液；过滤后将滤膜移至烧杯中加入适量FeSO4溶液和H2O2溶液，在电加热板上于60 ℃下消解样品，去除样品中的有机杂质；不锈钢滤膜(10 µm)过滤消解液；滤膜取下并干燥。

1.4 形貌鉴定及表征

超景深三维显微镜分析:对滤膜上的颗粒进行初步的观测和拍照，记录微塑料颜色，形状和尺寸大小。

扫描电镜/能谱分析：测试样品的表面形貌和元素组成。

显微-傅里叶变换红外光谱分析：采用透射、反射、ATR三种模式对标准样品进行测定，记录-微塑料的颜色、大小及形状，通过目标物红外光谱图与标准谱图对比，对微塑料进行定性分析。

2 结果与讨论

2.1 不同方法在微塑料鉴别中的应用

2.1.1 目检法

目检法是利用肉眼直接观察或在显微镜的协助下，将微塑料从自然源及非塑料的人为源中挑取，并根据微塑料形态、结构等特点予以分类。

如图1所示，（a）是聚乙烯（PE）微粒（＜500 µm）与纯土壤混合样品（PE/土壤）的照片，（b）是超景深显微镜放大50倍拍下的PE/土壤显微图像，(c)是农田土壤中的塑料碎片照片，(d)是超景深显微镜放大200倍拍下的塑料残片图像。在（a）和（c）中目测观察到大的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，仅靠目测看不清单个微粒的具体形貌特征，即便是尺寸较大的塑料碎片（＞1 000 µm）（c）。土壤中的微塑料经过风化、降解，本身的色泽大多发生了变化，其表面吸附了较多的矿物等杂质，因此土壤中的微塑料不经处理很难被观察到。而借助显微镜的放大功能，便可看到微塑料的细节特征，如显微镜下的PE微粒(b)和塑料残片(d)，表面粗糙，形状不规则。

图1 样品图像

目检法设备简单，但鉴别准确性受到微塑料大小、颜色、形态等特性的影响，误判、遗漏等现象在目检法中时有发生。由于其具有操作简单、成本低等显著优点，仍然是目前常用的微塑料鉴别技术。工作中，使用目检法分离鉴别土壤微塑料时需注意以下事项：1）排除所有生物、非塑料有机组分存在的可能；2）颗粒边界必须清晰，整体色泽均匀，若颗粒为白色或透明则需利用更大的放大倍数或选用荧光标记显微镜；3）若观察到的纤维为线状，并未发生弯曲、缠绕，则可能是生物源纤维，应予以剔除；对透明纤维或绿色纤维需要进行高倍放大检查，以确认其性质，因为这两种颜色在天然颗粒中非常普遍[21]。

2.1.2 扫描电镜/能谱法

扫描电镜是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质组成进行微观成像，能够在清晰和高度放大倍数的条件下提供单颗类塑料颗粒的微观形貌和化学组成特征，为区分微塑料和其他有机物颗粒提供了便利[13]。

将添加 PE 微粒 (＜500 µm)的土壤混匀，经粘样、喷金处理后，置于SEM下观察，可以清晰看到，土壤中的微塑料颗粒表面具有不同的形貌如图2(a)，形态极为不规则，表面凸凹不平，边缘粗糙，多呈锯齿形。该法图像清晰，但只能获得物质表面形态的图像，不能对微塑料进行成分的判定。在微塑料鉴别中，常需结合能谱仪(EDS)，通过塑料颗粒的表面特性及元素分析对微塑料进行鉴定；如图2(b)所示，经EDS分析，获取材料的元素组成信息，颗粒物的元素组成中主要成分是C，并含有少量的O。

图2 微塑料颗粒表面形貌

2.1.3 热裂解气质联用（Py-GCMS）法

Py-GCMS 工作原理简单，样品在严格控制的环境下加热，目标化合物在加热的过程中逐渐热裂解，成为可挥发性的小分子化合物，这些小分子通过联用的气相色谱分离，由质谱进行分析鉴定。根据裂解化合物定性、定量数据，反推样品的结构和组成。由于此方法可直接对结构复杂、分子量大、极性强、沸点高的化合物进行分析，适合对高聚物以及其中的添加剂进行快速、准确的鉴定[18]。

采用Py-GCMS在500 ℃热裂解温度条件下，分析了PE 塑料颗粒及含有PE微粒(＜500 µm)的土壤样品。图3是500 ℃裂解温度下，由质谱采集的PE塑料颗粒和含有PE土壤样品的总离子流色谱图。使用Frontier Lab公司提供的F-search谱库对样品裂解产物质谱碎片进行拟合检索, 检索结果见表1。

图3 样品的总离子流色谱图

表1 土壤样品热裂解化学组成分析结果

通过对比分析土壤热裂解化学组分（表1）和PE颗粒的热裂解产物（表2），发现土壤样品裂解产物中存在典型的聚乙烯裂解产物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, 因而可推断土壤中含有聚乙烯; 另外土壤的裂解产物中还含有邻苯二甲酸酐，苯乙烯，而这两种物质是不饱和聚酯的典型裂解产物。据此, 可以认为土壤中除含有高分子聚合物聚乙烯外，还有不饱和聚酯等高分子聚合物。

表2 PE主要热裂解产物

2.1.4 显微-傅里叶变换红外光谱法

聚合物的各种基团在红外谱区有相应的特征吸收峰，可依据特征峰定性识别聚合物类型；而且红外光谱分析具有不破坏样品，未知样品的红外谱图可与标准谱图比对鉴定的优点，FTIR是目前最常用的微塑料表征技术[12]。显微-傅里叶红外光谱（micro-FTIR）是在红外光谱技术的基础上发展起来的一项新兴的微区分析技术，与传统的红外光谱分析相比，显微红外光谱成像技术通过光谱分析技术与成像技术的结合，样本基体直观可视化，更好地提高空间分辨率，非常适合小尺寸样品的无损鉴定工作[22]。

显微-傅里叶红外光谱法有反射、透射和衰减全反射(ATR)3种操作模式，利用检测中，三模式可自由切换，操作简单。图4 中是40 µm、80 µm、100 µm、350 µm粒径PE微塑料在不同测量模式下所得红外谱图，从图中可以看出所有的红外谱图在2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 467 cm-1、720 cm-1处均出现了 PE 的特征吸收峰，结果表明显微-傅里叶红外光谱在反射、透射和ATR三种测量模式下，均可对40～350 µm粒径PE微塑料进行鉴别。另外，同粒径在不同测量模式下，所得红外光谱谱图在谱图信号强度、谱图质量等方面存在差异。不同粒径PE微塑料在透射模式下所得光谱信号相对较强，反射模式次之，ATR模式相对最弱；但ATR模式下红外谱图基线平滑，而反射模式下所得谱图毛刺较多，表明红外谱图的质量与检测模式、样品性质有关。透射模式下红外光线需要穿过样品，且塑料样品对红外辐射的吸收强烈，因此该模式下的光谱信号强；反射模式对待测样品表面的洁净度和光滑度要求较高，但实际实验中的样品形状不规则且表面粗糙，该模式下易出现折射误差，造成红外信号不稳定，因此谱图毛刺较多；而ATR模式是一种通过表面接触进行分析的方式，通过附件晶体与样品接触来获得样品表层有机成分的结构信息，该模式不受样品厚度、表面形态和基底噪音的干扰[22]，因此ATR模式下的谱图质量均较好。

图4 微塑料不同粒径、不同模式下的红外图谱比较

2.2 微塑料不同鉴别方法比较分析

目检法作为微塑料分析鉴定的一种常用方法，其操作简单，为训练有素的研究者提供了一种简单、快速的分析鉴别方法；该法往往要求所鉴定的物质尺寸较大，通常可通过裸眼对大块（2～5 mm）、有颜色的塑料碎片及树脂颗粒进行分离和鉴别；在鉴定小于1.0 mm且无颜色、无特定形状的样品时，用肉眼直接观察很难确保塑料的真伪[13]，需要借助立体/解剖显微镜和专业图像软件。研究表明显微镜下的目检鉴别对于类塑料颗粒的误判率通常超过20%，其中的70%是对于透明颗粒的误判[6,13]。扫描电子显微镜在检测对象粒径和形貌等特征方面有绝对优势，分辨率可达到0.1 µm；但是样品制备严格，需要在高度真空条件下对待测物镀膜处理，且其只能对滤膜上的粒子逐个分析鉴定，耗费时间长。Py-GC/MS具有用量小，可直接进样等优点，通过待测样品加热后的分解产物来鉴别微塑料成分，可以同时识别聚合物类型和添加剂，但该法不能得到微塑料的数量和粒径分布信息。而采用红外光谱代替肉眼识别塑料颗粒，利用聚合物基团在红外谱区的特征吸收峰，微塑料分析鉴别的准确性大大提高，而且FTIR法仅需通过过滤等简单的预处理即可直接对每一个疑似塑料的颗粒进行图谱分析，不仅可以鉴别微塑料的聚合物成分，避免非塑料颗粒的假阳性结果，而且还能获取到微塑料的数量信息。Micro-FTIR 法充分结合了显微镜与FTIR的优点，在采集视场内颗粒图像的同时，可获得视场内每一个像元对应的红外谱图，能满足小粒径微塑料检测及区域范围检测的要求。

因此，综合比较各方法在土壤微塑料分析鉴别中的应用，非破坏性的红外光谱分析技术在土壤微塑料分析鉴别研究中更加适合。原因是土壤中微塑料丰度低，提取的样品量受到限制，非破坏性的分析鉴别方法可以满足在较少样品量的情况下，进行多次、多途径分析，获得不同的分析参数；而且Micro-FTIR法的反射、透射和ATR三种测量模式都可应用于微塑料的检测，依据样品特点灵活选择测量模式，操作简单。

2.3 Micro-FTIR（ATR）分析农田土壤微塑料

样品经分离、净化后，目标物被抽滤至滤膜上，借助景深显微镜对滤膜上的颗粒进行初步的观测和拍照，统计微塑料数量、记录大小及形状；然后利用显微红外光谱ATR模式对目标物进行鉴别分析。新疆农田土壤微塑料分析结果见表3。

表3 新疆农田土壤微塑料分析结果1）

目检统计0～30 cm 土层微塑料丰度，新疆农田土壤中样品中存在大量微塑料，均值（4.2±1.2）×103 个/kg ，不同地块间微塑料丰度差异较大。所测地块中微塑料主要形状为薄膜状（35.2%），颗粒状（27.8%）和纤维状（22.5%）。将所测微塑料按粒径大小分成＜200 µm，200～500 µm，500～1 000 µm，1 000～5 000 µm 4类，其占比分别为 44.2%，32.5%，12.8%，10.5%，可见新疆农田土壤中尺寸越小的微塑料数量越大。对新疆农田土壤微塑料进行显微-红外光谱分析，显微图像和对应红外谱图见图5。经统计，所测农田土壤中共鉴别出8种材质的微塑料，分别是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯；其中聚乙烯 (60.2%)、聚丙烯(18.3%)占比较大。

图5 土壤中微塑料显微图像及红外谱图

3 结束语

本文探讨了目检法、扫描电镜/能谱法、热裂解气质联用和显微-傅里叶变换红外光谱法在土壤微塑料鉴别分析中的应用，通过对比各方法在土壤微塑料鉴别中的优缺点，得出以下结论：

1)目检法操作简单，所鉴定的微塑料尺寸较大，不能鉴别材料组成；扫描电镜/能谱法在表征微塑料粒径大小、形貌特征等方面具有绝对优势，可获取材料的元素组成信息，但不能对材料进行准确定性；热裂解气质联用法样品用量小，可直接进样，可通过样品裂解产物来推断组分，识别聚合物类型和添加剂，不能获得样品中微塑料数量、粒径和形貌信息。

2)显微-傅里叶红外光谱法拥有反射、透射及衰减全反射三种测量模式，均可用于微塑料的分析鉴别，结合显微镜还可获得微塑料颗粒的大小、形貌和数量信息；在分析新疆农田土壤中微塑料的应用中，证明显微-傅里叶变换红外光谱法是土壤微塑料分析鉴别的简便、可行方法。