评估微塑料的缺失组分：水生系统中微塑料（1-300 μm）的多样性、丰度与质量

摘要

本方案描述了一种适用于滤膜上采集的水样中检测、鉴定和定量微米级（1-300 µm）微塑料（MPs）的方法。拉曼显微光谱法可识别微塑料颗粒的聚合物化学结构，并以颗粒数量和水中质量为基础对其丰度进行定量。

摘要

本文所述方案能够对直径小至约 1 µm 的微塑料（MPs）进行定量，准确鉴定聚合物类型，并估算颗粒体积，从而关键性地实现微塑料质量的计算。来自纽约州大南湾（GSB）样品的代表性结果表明，等效球形直径（ESD）在 1–6 µm 范围内的颗粒最为丰富，其中约 75% 的颗粒尺寸小于 5 µm。值得注意的是，预筛分步骤未能获得任何大于 60 µm 的颗粒，提示在所采样的沿海位点大尺寸微塑料较为罕见。在过滤前，采用化学氧化步骤去除有机碎屑，这有助于对单个采水瓶样品中较大体积的水样（>1 L）进行过滤，并减少滤膜堵塞。尽管该方法显著提高了过滤效率，但该方法学的某些方面仍需进一步优化，以缩短样品制备和数据分析所需的总时间。拉曼显微光谱及其相关数据处理过程仍然较为耗时，尤其是在复杂环境基质中准确分析小于 10 µm 的颗粒时。目前的研究工作重点在于尽量减少分析不确定性，优化颗粒计数准确性与处理时间之间的权衡，并降低检测流程中的假象干扰。

引言

微塑料（MPs）是一类高度异质性的颗粒，其在尺寸、形状、颜色、密度、化学组成及其他物理特性方面存在广泛差异，这使得它们的识别与定量尤为困难¹。在微塑料调查中已采用多种分析方法，从光学显微镜等目视技术²，到热解-气相色谱等更先进的化学分析手段³。由于操作简便、快速且成本较低，光学显微镜常用于表征较大尺寸的微塑料（通常为0.5–5 mm）¹。该方法可实现对类塑料颗粒的可视化识别与定量，同时提供颗粒表面形貌与结构信息²。然而，该技术无法提供有关化学组成的化学信息，且依赖于分析人员的专业经验。目视分析存在已被广泛记录的误判问题，误判率据报道在20%至70%之间，尤其针对微小且透明的颗粒。此类误差可能导致环境样品中微塑料浓度被显著高估⁴。

另一方面，热解-气相色谱（GC）联用质谱（MS）可通过分析微塑料的热降解产物，提供其化学组成的详细信息³。当结合热脱附步骤时，该方法还能在同一次分析中检测塑料添加剂⁵。然而，该方法需要手动预筛选类塑料颗粒，并将其小心地置入热解系统，导致样品通量较低

方案

本方案已对原始版本进行了修改⁹。该方案为水体样品（饮用水、河流、湖泊、近岸或开阔海域）中微塑料（粒径＜300 µm）在滤膜上的提取、检测与定量分析提供指导。所用试剂与仪器列于材料表中。

1. 质量控制

1. 使用前须将所有试剂通过 0.22 µm 滤膜过滤。
2. 确保工作人员穿着棉质实验服（不得使用合成材料），并在处理样品前后及之间洗手。
3. 每次过滤前后，用 0.22 µm 滤膜过滤的去离子水冲洗过滤装置；不使用时，用洁净的铝箔覆盖。
4. 现场空白：将已冲洗的样品瓶装入 0.22 µm 滤膜过滤的去离子水，并按环境样品同样流程处理。
5. 实验室空白：每批样品处理过程中，将 1 L 0.22 µm 滤膜过滤的去离子水通过 Al₂O₃ 滤膜进行处理。

2. 微塑料定量用天然水样的采集与制备

1. 使用 0.22 µm 滤膜过滤的蒸馏水预冲洗所有样品瓶（包括 Niskin 瓶和玻璃容器），以尽量减少污染。
2. 可采用标准采样方法从水体中采集离散的水柱样品（>1 L），例如使用玻璃瓶（表层水）或安装在采水器上....

结果

本文展示了使用最新版本方法所获得的结果。该方法在其原始应用基础上进行了修改^9,14。本研究中使用的样品来自一项评估纽约长岛三大主要近岸水体中微塑料污染状况的项目：大南湾、佩科尼克河口和谢内科克湾。此处呈现的结果旨在验证我们改进后的方法的可行性，而非对这些水体水质的系统性评估。2024年8月28日，从位于美国纽约州大南湾（GSB）的两个站点采集了表层水样（图1）。在每个站点，使用一艘小型船只（约12米）采集1.5 L表层水样，并转移至玻璃容器中。样品随后在石溪大学海洋与大气科学学院（SoMAS-SBU）的实验室进行处理和分析。

图2 展示了两个直径约为 20 µm 的颗粒，它们在反射明场显微镜下形态相似。然而，通过拉曼光谱分析可区分其化学成分，并以相应颜色编码结果。较大的颗粒（约 20 µm）在 808 cm^-1 和 840 c.......

讨论

该方法能够对滤膜上采集的水样中的微塑料（MP）颗粒进行定量分析，最小可检测至1 µm，从而实现对颗粒丰度、化学组成、尺寸和质量的详细测量。然而，在分析复杂环境基质中粒径小于10 µm的颗粒时，必须充分认识并解决该方法本身存在的不确定性来源。

目前微塑料（MP）研究中缺乏检测限（LOD）和定量限（LOQ）的标准化测定方法，这是亟需解决的重要问题。已有多种方法被提出用于校正背景污染对野外数据的影响，尤其是通过引入流程空白样本来实现^{15,16,17,18,19}。例如，可通过计算野外和实验室空白样本中检测到的微塑料平均浓度加上空白测量值两倍标准差的方法，确定一个阈值，以此提供数据不确定性的评估指标。微塑料浓度低于该阈值的样品将被视为可能在采样或分析过程中受到污染，应予.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铝箔	任意商用品牌
分析用不锈钢筛网	Retsch GmbH，德国	DIN 4188
Anodisc 滤膜	Whatman
滤器 holder	FisherBrand-Millipore Sigma	XX1012542
玻璃瓶	FisherBrand-Millipore Sigma	02-912-313	任何玻璃容器均可用于采样过程
玻璃漏斗	FisherBrand-Millipore Sigma	XX1012514
30% 过氧化氢	Innovating Sciences	7722-84-1
inVia 共聚焦拉曼显微光谱仪	Renishaw
层流罩	Labconco 或其他适用于实验室的层流罩
金属夹	FisherBrand-Millipore Sigma	XX1012503
金属镊子	FisherBrand-Millipore Sigma	13-820-061
显微镜载玻片	Thermo Fisher	https://www.thermofisher.com/
腈类手套	Kimtech	55080-54
硝酸纤维素膜滤器 0.22	GVS Filter Technology	1214898
径向加热烘箱	Lab Line Instruments	3609
真空泵	Welch	25468-01 A
WiRE 5.2	Renishaw