Name: 地下水中微塑料的采样和鉴定 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-11-07T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 27 s
Description: 学习地下水微塑料采样与鉴定方法，使用潜水泵和级联过滤系统采集样本，并通过ATR-FTIR和micro-FTIR光谱技术进行化学鉴定。该标准化流程可准确表征微塑料的形貌、尺寸和成分，为环境监测研究提供可靠数据支持。

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本方案的开发由斯洛文尼亚研究与创新署在研究项目资助下完成 &#34;地下水体中微塑料迁移过程测定的改进方法&#34; (GWMicroPlast) (J1-50030) 以及研究项目“地下水与地球化学”(P1-0020)，同时由科学研究基金项目资助 &#34;地质圈中的微塑料&#34; (Manca)

1. 采样前钻孔的准备
注意：为防止野外污染，除插入滤膜或采集样品外，应保持过滤系统密闭。避免使用塑料工具和容器。避免穿着合成纤维衣物（如抓绒衣）；应穿着白色棉质实验服。
<ol>
	<li>打开钻孔，移除其中存在的任何采样器。使用水位计测量地下水位。</li>
	<li>在数据记录表（表 1）上记录钻孔的 GPS 坐标、采样日期、水位及其他采样信息。</li>
</ol>
2. 设置采样设备
<ol>
	<li>将潜水泵组装好，并小心地将其下放到井中指定深度。确保泵的进水口位于滤网顶部上方约 1 m 处，以防止吸入泥沙并维持最佳水流。 
	注意：安装过程中应小心操作水泵，避免损坏其线路或机械部件。</li>
	<li>在未安装滤网支撑筛和滤膜的情况下架设过滤系统，并将其水平放置。</li>
	<li>关闭主阀门，打开旁通阀。</li>
	<li>连接供水软管。</li>
</ol>
3. 清洗钻孔
<ol>
	<li>启动潜水泵，使水流经旁路以清洗钻孔。泵取至少3倍于钻孔内水体积的水量，或持续抽水直至理化参数稳定，以确保采集到新鲜的地下水样品。</li>
</ol>
4. 采样前过滤系统的清洗
<ol>
	<li>打开采样支路的阀门和过滤系统的主阀门，然后关闭旁路阀。 
	注意：让水流经过滤系统足够长的时间，以确保有效冲洗，冲洗时间可能取决于泵送速率。在清洗过程中，必须取下滤膜支撑筛网和滤膜。</li>
</ol>
&#160;5. 插入滤光片
<ol>
	<li>首先打开旁通阀，然后关闭主阀。</li>
	<li>打开滤室，检查滤室是否洁净。如有必要，用超纯水冲洗。</li>
	<li>插入滤膜支撑网。</li>
	<li>用超纯水冲洗所需孔径的滤膜，并将其放置在滤膜支撑筛网上。</li>
	<li>关闭滤室。</li>
	<li>对所有分支重复此过程。 
	&#8203;注意：可依次插入孔径逐渐减小的多个滤膜进行级联过滤。随后可安装与采样滤膜孔径相同的额外滤膜腔室。此步骤为必需操作。 2024年3月11日补充欧洲议会和理事会第(EU) 2020/2184号指令的欧盟委员会授权决定(EU) 2024/1441的附件 用于饮用水中微塑料的采样，要求使用100 µm和20 µm滤膜进行过滤，随后再使用另一组100 µm和20 µm滤膜作为空白对照以满足质量控制要求。</li>
</ol>
6. 样本采集
<ol>
	<li>读取并记录水表读数，或将其重置为零。</li>
	<li>打开主阀门，关闭旁通阀，并标记采样的开始时间。</li>
	<li>在采样过程中监测压力表，确保压力不超过4 bar，以避免设备损坏并减少微塑料的破碎。</li>
	<li>当过滤的计划水量完成，或滤膜开始堵塞（表现为压力升高或流量显著下降）时，停止采样。</li>
	<li>停止采样时，先打开旁通阀，然后关闭主阀门及过滤支路上的阀门。</li>
	<li>关闭泵。</li>
	<li>记录时间和水表的最终读数。 
	注意：为在采样点获得具有代表性的地下水样品，建议采集较大体积的水样，例如每份样品至少1 m3。 
	&#8203;在整个采样过程中，必须持续监控整个采样系统，特别是水表和压力表。压力升高伴随水流下降，表明滤膜开始堵塞。此时应停止系统运行，并将已使用的滤膜更换为新的滤膜。通过在此过程中使用多个滤膜分段收集样品，仍可高效地完成目标过滤水量的采集。</li>
</ol>
7. 收集滤膜
<ol>
	<li>用超纯水冲洗玻璃培养皿。</li>
	<li>打开滤室，小心地将保持水平放置的滤膜转移至一个洁净的培养皿中。</li>
	<li>用封口膜密封培养皿，并贴上标注样品名称和采样日期的标签。</li>
	<li>对所有滤室重复此操作（图2）。</li>
	<li>采样完成后，拆解装置。每次使用后均需用去离子水冲洗系统，并在存放前将其干燥。 
	&#8203;注意：也可将过滤系统的整个滤室组件保存，以便后续在实验室中进一步处理。</li>
</ol>
8. 样品中微塑料的分离
注意：为防止实验室污染，在开始样品分析前，务必清除实验室内的灰尘，关闭窗户，并使用带有HEPA过滤器的空调系统。避免使用塑料工具和容器。玻璃器皿在使用前须用超纯水冲洗，并在显微镜下检查。请穿着非合成材料的衣物，穿戴白色棉质实验服以最大限度减少污染。
注意：体视显微镜必须配备相机和图像分析软件，以实现对颗粒尺寸的精确测量。
<ol>
	<li>移除封口膜并打开培养皿。</li>
	<li>将培养皿转移至体视显微镜下，放大倍数至少为30倍，寻找可能的塑料颗粒，重点关注其颜色、形状及其他可见特征。</li>
	<li>对每一个疑似塑料的颗粒进行转移，拍摄照片并测量其尺寸。评估每个多重塑料（MP）颗粒的以下特性：尺寸（颗粒：最大费雷特直径或等效面积直径；纤维：宽度和长度）、形状（颗粒：碎片、薄膜、泡沫、颗粒、细粒；纤维）、颜色和化学成分（方法学见下文）（图3）。 
	注意：需注意某些MP可通过颜色和形状轻易识别，而另一些则可能较难辨别。 
	&#8203;MP鉴定的主要参数已在海面MP采样及样品分析方案中有详细描述26。偏振光在区分MP与沉积物及有机颗粒方面具有重要帮助。从样品中分离潜在MP时，应采取保守策略，优先选择更多而非更少的颗粒进行详细分析。</li>
</ol>
9. 微塑料的化学鉴定
注意：可使用ATR-FTIR对大尺寸微塑料（1–5 mm）进行化学分析，对小尺寸微塑料（&#60;1 mm）则可使用显微FTIR进行分析。也可采用其他方法，如拉曼光谱法。 
FTIR仪器软件应支持对测量参数的精确控制和实时光谱数据采集，并配备高级处理工具，如背景校正和光谱平滑。软件必须包含全面的聚合物谱图数据库，并能通过光谱库比对实现对物质的可靠鉴定，以支持对环境样品中微塑料的准确分析，特别是在地下水等复杂基质中的分析。
<ol>
	<li>ATR-FTIR 光谱法
	<ol>
		<li>开始分析前，使用 70% 酒精和无绒布彻底清洁 ATR 晶体和样品压头。</li>
		<li>将测量参数设置为通常进行 16 次扫描，波数范围为 4000 至 450 cm -1，分辨率为 4 cm-1。然后采集背景光谱。将颗粒逐一放置在 ATR 晶体上，施加压力，并开始测量。</li>
		<li>将获得的红外光谱与参考谱库中的光谱进行比对，以确认颗粒为微塑料（MP）。通常，与谱库光谱的匹配度达到 70% 即可视为阳性鉴定结果（图 4）。</li>
		<li>导出所获得的数据，用于进一步分析和报告。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>显微-FTIR 光谱法
	<ol>
		<li>分析前，使用酒精和无绒布清洁仪器所有相关部件，例如载物台。</li>
		<li>若采样未直接在适合所选测量模式（如 ATR 或反射模式）的表面上进行，则需将潜在塑料颗粒置于适当的反射表面上，例如镀金或镀铝的膜或显微镜载玻片。</li>
		<li>设置本次测量的参数，包括扫描次数、光谱范围、分辨率和会话名称。定位样品，并采集包含所有颗粒区域的拼接图像。</li>
		<li>进行反射测量时，应先测量背景，再测量潜在塑料颗粒的红外光谱。</li>
		<li>识别并标记将要测量选定颗粒红外光谱的位置。如有必要，可在每个颗粒上选择多个点。完成所有点的选择后，开始测量。 
		&#8203;注意：如果样品直接采集在适合红外测量的表面上，也可对较大感兴趣区域获取红外图像。</li>
		<li>将采集的红外光谱与参考谱库中的光谱进行比对。设定用于判定微塑料存在的阈值。通常，匹配度达到 70% 即可视为阳性鉴定。</li>
		<li>导出所获得的数据，用于进一步分析和报告。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者声明无利益冲突。

本方案中微塑料（MPs）的实验室分析遵循2024年3月11日欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441的附件内容，该决定补充了欧洲议会和理事会关于供人类食用的水中微塑料测定方法的指令（EU）2020/2184（欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441附件），以及为实施《海洋战略框架指令》（MSFD）而制定的《欧洲海域海洋垃圾监测指南》31。完成本方案后，每颗具有独立编号的微塑料颗粒或纤维均会被记录其图像、光谱及所有获取的特性参数。每颗微塑料颗粒均会根据其形态、尺寸、颜色、透明度和化学组成（聚合物类型）进行描述。
根据欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441 附件，微塑料（MPs）分为两种形态：颗粒和纤维。颗粒可进一步分为碎片、薄膜、泡沫、颗粒和粒状物。该分类方法用于海洋战略框架指令（MSFD）下的微塑料监测。不同类型微塑料形态的区分方法在 MSFD 指南31 以及海面微塑料采样视频方案32 中有详细描述。每颗颗粒的尺寸以最大费雷特直径31 或等效面积直径（欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441 附件）进行测量，而纤维的尺寸则以其长度和宽度记录31。尽管颜色和透明度未被纳入欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441 附件所规定的必测数据项，但它们仍属于为 MSFD 收集的微塑料特性参数列表中的内容。上述分类分别在 MSFD 指南的表 7.3 和表 7.4 中列出31。
根据谱图库中谱图搜索的结果，微塑料颗粒被归类为欧盟授权决定（EU）2024/1441 第1部分第（14）和（15）条所列的优先聚合物组之一，或归类为第1部分第（15）条下的其他材料。仅当纤维的尺寸和仪器能力允许明确鉴定聚合物类型时，才应分析其化学组成；否则，应将其标注为未识别纤维。
对地下水中微塑料的监测仅限于少数研究，这些研究采用的方法学各不相同，可能影响最终结果14。关键因素包括：1）采样前的冲洗、2）泵的类型、3）过滤系统、4）滤膜材料和孔径、5）采样体积、6）样品处理、7）微塑料的检测与定量，以及 8）质量控制。以下将更详细地讨论这些因素及其特性。
在大多数现有研究中，采样前的预抽水（冲洗）过程并未被提及。但相关信息也应予以提供33，因为抽水净化对微塑料（MPs）浓度具有显著影响28。本方案包含预抽水步骤，因为该过程对于采集来自含水层的新鲜地下水而非积留在钻孔中的停滞水至关重要。为有效清洗钻孔，需抽出相当于钻孔体积2-3倍的水量，或持续抽水直至水质的理化参数稳定14。水样应于滤水管顶端上方约1 m处采集，以防止吸入沉积物并确保样品的均一性。
从钻孔中采集地下水样品需要使用泵。流速受采样深度、所用泵的类型以及钻孔状况的显著影响，而钻孔状况又与特定地点的水质特征（如泥沙含量）以及采样时的长期和近期天气条件密切相关。
通常，大多数泵含有塑料部件，可能会造成样品污染，但多数研究并未指明所使用的泵的类型。建议使用所有部件均由不锈钢制成的泵。如果无法做到这一点，则应通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，明确说明材料的化学组成。所用材料的光谱必须纳入谱库中，并将样品中的颗粒与之比对，以排除潜在的污染。
对于配备叶轮的泵，较大的微塑料颗粒在通过泵时可能会受损甚至发生破碎。为避免高估微塑料的存在，必须评估采样泵是否会导致塑料颗粒的破碎。可通过将已知数量且特征明确的微塑料颗粒加入已清洁的水中，并使该水样通过过滤系统进行泵送来测试这一影响。泵送后，应重新表征颗粒，以确定是否发生了任何物理变化（如破碎或表面改变）。这一验证步骤有助于确保采样过程不会因机械降解而人为增加微塑料的检出数量。
为了采集大量水样，需要使用适合野外作业的过滤系统。在本方案中，为避免污染，该过滤系统（采样系统已根据斯洛文尼亚专利 SLO-P-202300155 注册，并正在申请欧洲专利局专利 EP24217168.4）采用不锈钢材质制造，所有部件均通过焊接连接，不包含聚四氟乙烯（PTFE）或任何其他塑料材质的绝缘胶带。由于滤膜可能迅速堵塞，系统可选配级联过滤装置，还可直接将颗粒物按所需粒径分级进行分配。通常使用孔径为 100 µm 和 20 µm 或 10 µm 的滤膜。可根据需要增加额外滤膜以应对可能的堵塞问题（例如，在 100 µm 与 20 µm 之间增加一个滤膜）。欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441 的附件推荐采用四级级联过滤：第一级滤膜孔径为 100 µm，第二级为 20 µm，第三级为 100 µm，第四级为 20 µm。前两级滤膜用于微塑料（MPs）分析，后两级用于评估微塑料污染水平（采样质量控制），以确保所有颗粒物均已被前两级滤膜截留。
流量计（特别是机械式流量计）应安装在采样过滤级联装置之后，以准确测量所采集水样的体积。采样过程中必须监测系统压力。若压力超过4 bar，则表明过滤器发生堵塞，必须立即关闭系统，以防止过滤器或系统受损。为避免微塑料（MPs）产生额外破碎，采样应在尽可能低的压力下进行。
如前所述，欧盟授权决定（EU）2024/1441 建议使用 100 µm 和 20 µm 的滤膜。本研究中使用了尼龙滤膜。然而，在这种情况下，必须从滤膜上收集微塑料颗粒，并直接转移至适用于傅里叶变换红外光谱（FTIR）或拉曼显微镜反射模式检测的ATR-FTIR晶体或反射载片上。尼龙网状滤膜适用于孔径为 100 µm 的过滤，因为该尺寸的颗粒可手动操作。但在使用 20 µm 滤膜时，建议采用硅化或铝镀层滤膜，以利于在透射或反射模式下进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）或拉曼显微镜检测。
文献表明，为避免低估微塑料（MPs）的存在，至少应采集 500 L 水样34。根据欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441 的附件规定，应采集 1 m3 的水样。需考虑推荐的采样体积，以避免高估样品中微塑料的浓度。如此大的采样体积会增加滤膜堵塞的风险，因此强烈推荐采用级联过滤法。
来自该系统的样品可立即使用体视显微镜进行微塑料（MPs）分析。这是一种非常节省时间和成本的方法。许多研究详细描述了去除沙粒和有机质的预处理步骤；然而，这些过程耗时较长，且可能涉及使用有毒化学试剂。此类预处理步骤还可能对结果产生负面影响，导致颗粒进一步破碎或损失，尤其是较小的颗粒（&#60; 100 µm）35。因此，除非必要，应尽量避免这些步骤。欧盟授权决定（EU）2024/1441中也描述了类似建议，提出若原始采集滤膜与所用分析方法兼容，可直接用于傅里叶变换红外（FTIR）显微光谱分析；必要时可采用浮选步骤。
首先，使用体视显微镜分析过滤样品，对每个颗粒进行拍照记录、编号标记、测量尺寸，并评估其形状。形状的判定非常重要，因为它可以提供关于微塑料（MPs）来源的信息。纤维通常来自纺织品洗涤，起源于污水处理厂；而碎片则通常来自环境中大块塑料颗粒的降解。在分析的第二阶段，采用ATR-FTIR或FTIR/拉曼显微技术确定每个颗粒的化学组成。通常，将滤膜上的所有颗粒转移至反射载玻片，以便使用FTIR显微镜在反射模式下进行分析。如果样品采集于20 µm的硅胶滤膜上，则可在滤膜未被砂粒过度覆盖的前提下，直接使用拉曼或FTIR显微镜进行分析。若颗粒嵌入砂粒中，可采用密度分离和/或化学或酶处理方法，以减少矿物质、金属氧化物和天然有机质等非塑料物质的存在。在测量前必须将微塑料颗粒干燥，因为水会强烈吸收红外辐射。
为确保结果的可靠性，必须考虑以下质量控制要素：第一，空气污染防控：为防止采样过程中受到大气污染，必须使用封闭式过滤系统。为避免分析过程中发生空气污染，需穿着白色棉质实验服，并通过高效过滤器（HEPA）进行空气过滤。第二，过滤系统自身污染的防控：系统中唯一无法避免聚合物存在的部件是软管。推荐使用硅胶软管，并在出现可见损伤时及时更换。必须了解泵的构成材料，并在检出聚合物时对泵进行测试，以评估其对样品造成污染的可能性。第三，实验室操作过程中的污染防控：仅可使用玻璃材质的实验器具，并以超纯水清洗后用于微塑料分析。第四，设置平行样品以确保结果的可重复性与统计学意义：该过滤系统支持四个支路同时采样。为保证所有样品处于相同条件并节省时间，至少应采集三个平行样品。第五，在采样及实验室操作的所有步骤中均需包含空白样品。在野外采样过程中，应按照欧盟授权决定（EU）2024/1441 附件中的建议，在100 µm和20 µm的样品滤膜之后分别安装100 µm和20 µm的空白滤膜。采样过程中获得的空白样品必须在所有分析步骤中遵循相同操作流程予以处理和考量。
本文所述方案符合欧盟授权决定（EU）2024/1441提出的所有要求，因此为研究或监测地下水中微塑料（MPs）的科研人员提供了极佳的参考资源。所描述的过滤系统也可用于淡水或海水，因其支持在不同水深采集微塑料样品。该采样方法简单、易于操作，在大多数情况下无需样品预处理，即可快速、准确地获得结果。

近年来，微塑料（MPs）已被确认为一种重要的环境污染物。由于微塑料可能进入大气，因此成为水循环的一部分1。大气沉降和地表径流是微塑料进入地表水的主要途径2。微塑料来源于多种陆地和水生环境，其中陆地来源占其总量的80%3。进入水生生态系统后，大部分陆源微塑料通过河流被输送至海洋。其余微塑料则滞留在淡水环境中，在人口密集、城市化程度高、水体滞留时间长且受人为活动显著影响的区域，地表水中微塑料污染水平较高。地表水还可通过河床、洪泛区、湿地和泉眼与地下水相连通4。
尽管2018年淡水生境中的研究仅占现有文献的不到4%5，此后，人们日益认识到有必要更深入地了解水生环境中微塑料的来源，这推动了针对淡水系统的研究显著增加6尽管关于地下水的研究数量仍然有限，但地下水中存在微塑料（MPs）的证据已有充分记录。由于地下水是全球最重要的淡水资源，为超过二十亿人提供安全的饮用水以及家庭、农业和工业用水7，微塑料在地下水中的存在引发了关于21世纪地下水安全性的新问题st 世纪8.
微塑料的陆地来源可能非常多样，其中纺织品洗涤产生的纤维状微塑料约占水生系统中检测到的微塑料的35%9。环境中其他重要的不同类型微塑料来源包括个人护理和化妆品产品、轮胎、农业塑料薄膜、人工草坪和道路涂层、垃圾填埋场、随意丢弃的塑料、包装材料以及建筑行业污染物9,10。
由于来源多样，微塑料（MPs）在化学组成、颜色、形状、密度、尺寸及其他特性方面可能存在显著差异11。国际标准 ISO 24187:2023 将微塑料分为两类：1) &#34;大微塑料&#34;：尺寸在 1 mm 至 5 mm 之间的固态、不溶于水的塑料颗粒；以及 2) &#34;微塑料&#34;：尺寸在 1 µm 至 1 mm 之间的任何固态、不溶于水的塑料颗粒。尺寸小于 1 µm 的颗粒被视为纳米塑料12。以微塑料形式最常检出的聚合物材料是聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），因其为产量最大的聚合物材料13。
微塑料（MPs）可通过与地表水和海水的相互作用以及补给/排泄过程，从土壤和沉积物中迁移进入地下水。在这些过程中，微塑料可在地下水系统中发生双向迁移14。潜流带（HZ）是河流与浅层地下水系统之间物质交换的重要界面15。微塑料在潜流带中的迁移受到多种颗粒特性（如粒径、形状、材料组成）以及若干水文和地球化学因素的影响，包括河床形态和水流湍流15。孔隙直径与微塑料粒径之间的关系也是这些过程中的另一个关键因素16，因为尺寸较小的微塑料更容易通过孔隙从地表迁移至地下层15,16。
微塑料（MPs）可通过非饱和带进入地下水17。非饱和带是地表与地下水之间的重要连接区域18。微塑料在非饱和带中的迁移与滞留过程取决于颗粒特性、土壤特性以及环境因素17,19,20。土壤生物（如蚯蚓、跳虫和螨类）可通过位移、摄食、包吞和附着等多种机制，影响微塑料从土壤表层向深层的迁移21,22。无脊椎动物还可通过在土壤中形成大孔隙，间接影响微塑料的迁移，这些大孔隙可作为微塑料通过淋溶作用移动的通道21。
关于地下水中微塑料（MPs）存在的主要担忧在于其持久性，这与较大的比表面积、对环境不友好的降解过程（导致形成微米级甚至纳米级颗粒）以及强疏水性有关17。这种持久性可能从化学和生物学角度对地下水质量构成潜在风险。MPs可通过溶出未结合的单体和添加剂，以及吸附自环境中的化学物质（如疏水性持久性有机污染物）而对地下水造成化学污染23。MPs还可作为生物膜形成的基质，影响地下水的微生物生态。附着在MPs上的生物膜也可能含有自由生活的微生物和病原体23。如果被摄入，这些颗粒本身即构成物理危害。颗粒尺寸越小，越有可能被细胞吸收或穿越生物体的生物屏障23。
由于微塑料（MPs）对人类健康可能构成风险，地下水中的微塑料研究正日益被视为至关重要。因此，用于测量微塑料的修订版《饮用水指令》于2021年1月生效。欧盟各成员国须在2023年1月12日前将该指令转化为国家法律，并确保遵守其各项规定。然而，迄今为止开展的关于微塑料的研究数量仍然有限。目前尚无针对地下水中微塑料采样与分析的标准程序。由于不同研究采用的采样和分析方法各异，其结果难以相互比较。因此，近期多项研究强调迫切需要标准化微塑料的采样与分析流程，以确保获取高质量样品并得到可比的结果12,17,24,25。
基于过滤的采样和直接采样是迄今为止在微塑料（MP）研究中收集地下水样品的两种常用方法。过滤法是在野外将水样通过筛网过滤器（如不锈钢滤筒26或筛网27）以捕获微塑料颗粒。使用滤筒和筛网的主要缺点是难以彻底清除残留颗粒，这会影响样品分析的完整性，并增加交叉污染的风险。直接采样在许多研究中被广泛采用28,29,30，该方法更为简单，即直接使用瓶子或容器采集水样，无需预处理。尽管适用于探索性研究，但由于采样体积较小，直接采样无法准确反映微塑料的浓度。
本研究介绍了一种新开发的地下水微塑料（MPs）采样系统（图1），该系统基于现场过滤技术，采用市售且孔径可定制的滤膜。该系统可同时过滤多个样品，并支持级联过滤。系统设计为全封闭结构，可有效防止样品受到环境污染。文中提供了详细的采样方案，并配有视频操作指南，以及对所检测到的微塑料化学成分和其他特性的后续分析流程。该系统旨在提高该领域未来研究的质量、一致性和可比性。

<table><tbody><tr><td>ATR-FTIR 光谱仪</td><td>PerkinElmer</td><td>L160000F</td><td>SpectrumTwo</td></tr><tr><td>FTIR 显微镜</td><td>ThermoFischer Scientific</td><td>IQLAADGAAGFARMMBMN</td><td>RaptIR</td></tr><tr><td>玻璃培养皿</td><td>Brand</td><td>455717</td><td>直径 60 mm</td></tr><tr><td>尼龙网膜</td><td>Merck</td><td>NY1H04700</td><td>亲水性，100&amp;nbsp;&amp;micro;m，47&amp;nbsp;mm，100</td></tr><tr><td>尼龙网膜</td><td>Merck</td><td>NY2004700</td><td>亲水性，20&amp;nbsp;&amp;micro;m，47&amp;nbsp;mm，100</td></tr><tr><td>精密镊子</td><td>BraunB</td><td>BD335R</td><td>微型镊子</td></tr><tr><td>密封膜</td><td>Amcor Flexibles North</td><td>PM992</td><td>Parafilm M</td></tr><tr><td>体视显微镜&amp;nbsp;</td><td>Zeiss</td><td>495015-9880-010</td><td>StereoDiscovery V8</td></tr><tr><td>潜水式水泵</td><td>Grundfoss</td><td>96510217</td><td>SQ 5-70</td></tr><tr><td>水位计</td><td>Hydrotechnik</td><td>/</td><td>型号 010</td></tr></tbody></table>

地下水微塑料的采样与鉴定

Sampling and Identification of Microplastics in Groundwater

地下水中的微塑料污染在科学文献中仍存在显著的报道不足。本文提出了一套全面的实验方案，详细阐述了从钻孔中采集地下水样品，以及微塑料分离与分析的具体步骤。文中详尽描述了一套专为此目的设计的过滤采样系统及其完整的采样流程。此外，还介绍了微塑料颗粒的实验室分析方法，包括利用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和显微FTIR光谱技术，根据颗粒的尺寸、形状、颜色、透明度及化学结构对其进行表征。文章讨论了可能影响分析结果的各种因素，并特别强调了防止样品污染的措施。所描述的方法学还考虑了2024年3月11日发布的《欧盟委员会授权决定（EU）2024/1441的附件》对欧洲议会和理事会指令（EU）2020/2184的补充要求。该全面的书面协议，辅以视频指导，旨在推动建立统一协调的地下水或饮用水中微塑料监测方法。本资源将对全球范围内从事微塑料研究的科研人员具有重要参考价值。

本方案的首个结果是获得各样品中所有微塑料的数据库（表2），可用于进一步分析微塑料的数量及其特性（颜色、尺寸、形状及材质组成）。
MP采样与样品分析的主要目的是测定每份样品中MP颗粒的数量图5）。这些数据随后可按立方米（m3）。标准化公式如下： 
每米 MP 颗粒数3 每样本 = N / V
其中： 
N = 每个样品中微塑料颗粒的总数 
V = 样品体积（m3）
<img alt="真空系统示意图；压力指示器、阀门符号；气体流量控制过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68652/68652fig1.jpg" data-altupdatedat="1783396841000" data-alt="图1"> 
图1：本实验方案中所用采样系统的示意图。该采样系统由一个三通进样管组成，其中一个支路连接泵，第二个支路连接分配单元，第三个支路用于使水流绕过采样单元实现旁通。分配单元具有四个对称分布的支路，用于连接相应的采样单元，其正中央安装有压力测量装置。每个采样单元均配备一个阀门、三个滤膜 holder 以及一个安装在滤膜 holder 下游的流量计，以防止样品污染。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68652/68652fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="土壤颗粒分析，两个培养皿，沉积物分选，实验室实验。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68652/68652fig2v3.jpg" data-altupdatedat="1783396841000" data-alt="图 2"> 
图 2：采集 1 m3 地下水样品后滤膜的示例。 左图：孔径为 100 µm 的尼龙网滤膜；右图：孔径为 20 µm 的尼龙网滤膜。滤膜上沉积物和有机颗粒的量可能因采样地点的不同而有所差异。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68652/68652fig2v3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="微塑料纤维和碎片的显微分析；放大倍数、聚合物鉴定、颗粒尺寸。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68652/68652fig3.jpg" data-altupdatedat="1783396841000" data-alt="图3"> 
图3：不同形态代表性颗粒的示例。 (A) 碎片； (B) 纤维。图像中显示了比例尺。颗粒可呈现多种不同的颜色、形状和尺寸。碎片的尺寸以Feret直径或等效面积直径进行测量，而纤维则以其长度和宽度进行测量。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68652/68652fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="FTIR光谱结果；苯乙烯-丁二烯共聚物的红外光谱；光谱分析图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68652/68652fig4.jpg" data-altupdatedat="1783396841000" data-alt="图4"> 
图4：在选定颗粒上测得的示例光谱，标出峰位及其波数 [cm-1]，并与光谱库进行比对。 样品光谱与光谱库中的参考光谱应至少达到70%的相关性。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68652/68652fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="Bar chart of microplastic concentration across various sampling locations; environmental data analysis." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68652/68652fig5.jpg" data-altupdatedat="1783396841000" data-alt="Figure 5"> 
图5：每米微塑料数量的示例结果3 每个采样点 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68652/68652fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="2">地点：Borehole 1</td>
			<td colspan="2">日期：4月1日</td>
			<td colspan="5">研究人员：Researcher 1, researcher 2, researcher 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="9">GPS坐标：46.056946 N 14.505751 E</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="9">项目：地下水采样</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="9">天气状况：晴朗</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="9">温度（°C）：20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="9">样品</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>样品编号</td>
			<td colspan="2">GW1.1</td>
			<td colspan="2">GW1.2</td>
			<td colspan="2">GW1.3</td>
			<td colspan="2">GW1.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>过滤位置</td>
			<td colspan="2">1</td>
			<td colspan="2">2</td>
			<td colspan="2">3</td>
			<td colspan="2">4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>滤膜类型</td>
			<td colspan="2">Nylon - 100 µm, 20 µm</td>
			<td colspan="2">Nylon - 100 µm, 20 µm</td>
			<td colspan="2">Nylon - 100 µm, 20 µm</td>
			<td colspan="2">Nylon - 100 µm, 20 µm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采样深度（m）</td>
			<td colspan="2">25</td>
			<td colspan="2">25</td>
			<td colspan="2">25</td>
			<td colspan="2">25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>开始时间</td>
			<td colspan="2">10.00</td>
			<td colspan="2">10.00</td>
			<td colspan="2">10.00</td>
			<td colspan="2">10.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>水表起始读数（m3）</td>
			<td colspan="2">437.4199</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>结束时间</td>
			<td colspan="2">10.45</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>水表结束读数（m3）</td>
			<td colspan="2">438.421</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>采样水体积（m3）</td>
			<td colspan="2">1.001</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>其他</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
			<td colspan="2"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：示例采样数据表，包含采样地点、日期、环境条件以及与水过滤相关的数据等参数。
<table border="1" fo:font-size="7px" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always" style="table-layout: auto; width: 1px; border-collapse: collapse;">
	<tbody>
		<tr>
			<td>位置</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">样品</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">颗粒编号</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">形状</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">尺寸 (mm)</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">颜色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">化学组成</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">匹配度 (%)</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">优先聚合物</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">仪器</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">光谱</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">其他</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_1_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">颗粒</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">0.54</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">黑色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚四氟乙烯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">80.2</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PTFE</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Spectrum two</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1111</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_1_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">2</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">0.98</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">蓝色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚对苯二甲酸乙二醇酯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">91.9</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PET</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1112</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_2_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1.54</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">蓝色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚酰胺</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">75.0</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PA</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1113</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_2_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">2</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">2.87</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">红色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚对苯二甲酸乙二醇酯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">98.0</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PET</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1114</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_2_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">3</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">3.04</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">红色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚对苯二甲酸乙二醇酯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">71.3</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PET</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1115</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_2_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">4</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1.27</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">蓝色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚对苯二甲酸乙二醇酯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">83.6</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PET</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1116</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_3_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">颗粒</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">1.93</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">白色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚乙烯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">85.3</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PE</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Spectrum two</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1117</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_3_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">2</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">颗粒</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">0.96</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">蓝色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚乙烯</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">89.4</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PE</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Spectrum two</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1118</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">钻孔1</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">Borehole1_3_20242204</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">3</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">纤维</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">0.54</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">蓝色</td>
			<td colspan="2" style="white-space: nowrap; min-width: 0;">聚酰胺</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">73.2</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">PA</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">RaptIR</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;">abc1119</td>
			<td style="white-space: nowrap; min-width: 0;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2：每次采样所分离出的微塑料颗粒的示例数据库，包含每个颗粒的形状、尺寸、颜色和材质等参数。

本文详细描述了使用专为此目的开发的专利采样系统，从钻孔中采集地下水微塑料样品的步骤。该方案详述了从钻孔中采集微塑料样品的方法，以及微塑料的分离和化学鉴定方法。

地下水中的微塑料污染在科学文献中仍存在严重报道不足。本文提出了一种全面的实验方案……

地下水微塑料采样与鉴定方案。采样前准备钻孔。打开钻孔，移除其中可能存在的任何采样器。使用水位计测量地下水位。在数据表上记录钻孔的GPS坐标、采样日期、水位及其他采样信息。设置采样设备。将潜水泵组装好，并小心地将其下放到井中指定深度。在未安装滤网支撑筛和滤网的情况下设置过滤系统，并将其水平放置。关闭主阀门，打开旁通阀门。连接供水软管。清洗钻孔。启动潜水泵，使水流经旁通管路以清洗钻孔。采样前清洁过滤系统。打开采样支路的阀门和过滤系统的主阀门，随后关闭旁通阀。安装滤器。首先打开旁通阀，然后关闭主阀。打开滤器室，并检查滤器室是否清洁。必要时用超纯水冲洗。插入滤膜支撑筛板。用超纯水冲洗具有所需孔径的滤膜，并将其放置在滤膜支撑筛板上。关闭滤室。对所有分支重复此操作。可依次插入多个孔径逐渐减小的滤膜，以实现级联过滤。样品采集。读取并记录水表读数，或将水表归零。打开主阀门，关闭旁通阀，并标记采样的开始时间。采样过程中需监测压力表，确保压力不超过4 bar，以避免损坏设备并减少微塑料的破碎。当过滤的水样体积达到预定量或滤膜开始堵塞（可通过压力升高或流速显著下降观察到）时，停止采样。停止采样时，先打开旁通阀，再关闭主阀及过滤支路上的阀门。关闭泵。记录水表的时间和最终读数。收集滤膜。用超纯水冲洗培养皿。打开滤室，小心地将保持水平放置的滤膜转移至洁净的培养皿中。用封口膜密封培养皿，并标记样品名称和采样日期。对所有滤室重复此操作。样品采集完成后，拆卸系统。储存前务必用清水冲洗系统并晾干。从样品中分离微塑料。移除密封膜并打开培养皿。将培养皿置于体视显微镜下（放大倍数至少30倍），寻找可能的塑料颗粒，重点关注颜色、形状及其他可见特征。每转移一个疑似塑料的颗粒，均需拍照并测量其尺寸。需确定每个微塑料颗粒的以下特性：尺寸、形状、颜色和化学成分。需注意，部分微塑料可根据其颜色和形状轻易识别，而另一些则可能较难辨认。微塑料的化学鉴定。可通过ATR-FTIR对较大微塑料进行化学分析，通过显微FTIR对较小微塑料进行分析。也可采用拉曼等其他方法进行ATR-FTIR光谱分析。开始分析前，使用酒精和无绒布彻底清洁ATR晶体和样品压头。设置测量参数，通常为16次扫描，波数范围为4,000至450 cm⁻¹，分辨率4 cm⁻¹。然后采集背景光谱。将颗粒逐一放置在ATR晶体上，施加压力并开始测量。将获得的红外光谱与参考谱库中的光谱进行比对，以确认颗粒为微塑料。通常，与谱库光谱的匹配度达到70%即被视为可确认的阳性鉴定。将获得的数据导出以进行进一步分析和报告。显微傅里叶变换红外光谱（Micro-FTIR spectroscopy）。在分析前，使用酒精和无绒布清洁仪器的所有相关部件，例如载物台。如果采样未直接在适合所选测量模式（如ATR或反射模式）的表面上进行，则应将潜在的塑料颗粒置于适当的反射表面上，例如镀金或镀铝的膜材料或显微镜载玻片。选择当前测量的参数设置，包括扫描次数、光谱范围、分辨率和会话名称。定位样品，并采集包含所有颗粒区域的拼接图像。进行反射测量时，首先在测量潜在塑料颗粒的红外光谱之前测量背景。确定并标记将要测量所选颗粒红外光谱的位置。如有必要，可在每个颗粒上选择多个点。选择所有点后，开始测量。还可以获取更大感兴趣区域的红外图像，特别是当样品直接采集在合适的红外测量表面上时。将采集到的红外光谱与标准参考谱库中的光谱进行比对。选择一个阈值以确定微塑料的存在。通常，70%的匹配度足以进行阳性鉴定。导出获得的数据以供进一步分析和报告。代表性结果。本实验方案的主要结果是获得一个包含所有分离出的微塑料颗粒的数据库，每个颗粒均以其形状、大小、颜色和材料组成进行表征。可计算每份样品及每个采样点的微塑料浓度。结论。本综合方案结合欧盟委派决定 EU 2024/1441 附件中的建议，确保微塑料在科研或监测中的准确鉴定。

sampling-and-identification-of-microplastics-in-groundwater

Research

科研

JoVE Journal

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地下水微塑料的采样与鉴定

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