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解决方案 | Pyrolysis-GCMS定量分析贝壳类动物中微塑料

发布：北京莱伯泰科仪器股份有限公司

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前言

全球每年产生塑料垃圾数亿吨，由于全球塑料排放严重，大量塑料颗粒进入海洋生态系统。贝壳类动物主要生活在海水中，这导致微塑料进入贝壳动物体内，而人类在食用贝壳类动物时，微塑料又进入人体内，则对贝壳类动物体内微塑料含量进行测定很重要。

大于20μm的微塑料可以通过傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱分析，对小于20 μm的微塑料较难使用这两种仪器分析。在这种情况下，热裂解-气相色谱-质谱(Py-GCMS)是一种非常有效的分析手段。Py-GCMS没有微塑料尺寸限制，观察范围取决于滤膜的孔径，可以做到全覆盖。PY-GCMS检测不足是缺失塑料污染物的平均尺寸分布。使用Py-GCMS可以在一次分析中检测多种微塑料，也大大节省了实验时间。

PY-GCMS分析方法使用碱性消解，结合液氮研磨方式，通过稳定性、加标回收考察，证明此方法是一种贝壳类动物中微塑料定量分析的可靠方法。

本方案主要介绍利用Pyrolysis-GCMS对贝壳类动物进行6种微塑料检测。样品前处理主要采用氢氧化钾消解，结合液氮研磨方式对样品滤膜进行研磨均质前处理。通过稳定性、加标回收率考察，证明此方法能够有效分析贝壳类动物中微塑料含量。

关键词：Pyrolysis-GCMS；微塑料；贝壳类动物；液氮研磨

实验过程

1.1实验材料

样品：

市场采购4种不同海洋类贝壳，分别为生蚝、蚬子、蛤蜊、扇贝。

标准品：

聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)，均采购自阿拉丁（上海）。聚苯乙烯(PS) 100μm粒径标准品，采购自辉质生物公司。

1.2实验仪器

热裂解仪采用热丝(铂线圈)加热方式，Pyroprobe 6200，CDS Analytical公司；GC-MS为气相色谱GC7890 结合质谱MS-5975，安捷伦公司。

1.3实验过程

从市场采购4种海洋贝壳类样品，样品去壳后，被转移到装有玻璃瓶盖的30mL玻璃瓶中。加入预过滤的10%氢氧化钾水溶液，加入量为1g肉加入80ml氢氧化钾水溶液。利用10%氢氧化钾消解，温度为40℃消解24小时。氢氧化钾水溶液采用预过滤，在直径为25 mm、孔径为0.45 μm的滤膜过滤(来自Sigma-Aldrich)，以去除任何潜在的塑料污染。将瓶置于摇床培养箱中，在40℃下连续搅拌(500 rpm) 48小时。用一个装有氢氧化钾溶液但没有样品的玻璃瓶作为方法空白。消化完成后，将样品从培养箱中取出，

将样品液在真空抽滤的石英滤膜上抽滤，石英滤膜（购自whatman）的直径25mm。

将滤膜放入5mL金属研磨罐，加9.6mm金属研磨球，拧紧盖子。放入液氮中冷冻5min, 取出研磨罐放入研磨仪中，研磨仪参数设置为65Hz 40s ，进行研磨，再放入液氮冷冻5min，然后研磨40s，如此共重复8次（研磨仪购自上海净信）。

取2mg（天平购自Sartorius Micro Balance）研磨稀释后样品放入热裂解的样品管中，样品管放入热裂解仪中，利用PY-GCMS进行分析。

1.4仪器参数

热裂解参数：

热裂解700℃ 40s ；Interface 300℃；阀箱300℃；传输线320℃

GC-MS参数:

进样口320℃；50:1分流；色谱柱DB-5MS 30mx0.25mmx0.25μm柱温箱40℃保持2min ,10℃/min升到100℃， 50℃/min升到300℃，保持3min ；柱流量1mL/min ；接口320℃；EI源；SCAN 35-600amu；离子源230℃；四极杆150℃；离子源EI 70ev ；溶剂延迟 0.5min。

结果与讨论

2.1标准曲线

微塑料的标准曲线制作是难点，因为标准曲线的几个级别的样品量为微克级别，天平难称取，则采用液氮研磨稀释方法得到稀释后的标准品粉末，可以进行称量。

实验采用硅藻土作为分散物质，硅藻土主要为二氧化硅，对热裂解谱图背景影响小。事先将硅藻土在马弗炉800℃ 烧2小时，去除硅藻土中杂质。取2mg硅藻土进行PY-GCMS空白考察，确定无杂质峰出现，再作为实验中分散剂使用。

用天平分别称取1mg各塑料，将6种塑料各1mg加入5mL金属研磨罐，再加入0.15g硅藻土作为分散物质。放入9.6mm金属研磨球，拧紧盖子。放入液氮中冷冻5min, 取出研磨罐放入研磨仪中，研磨仪参数设置为65Hz 40s ，进行研磨。再放入液氮冷冻5min，然后研磨40s，如此共重复8次。得到微塑料在硅藻土中的6667μg/g标准物质。

分别取硅藻土分散的微塑料标准物质0.66mg、0.97mg、1.48mg、1.97mg、2.44mg，放入热裂解样品管中，共5个级别标准物质，则对应各微塑料质量为4.4μg、6.47μg、9.87μg、13.13μg、16.27μg。

利用PY-GCMS分析得到6种微塑料的标准曲线的R2>0.95，则标准曲线线性良好。

表1 标注曲线数据

表2 6种塑料定量和定性特征组分

2.2 液氮研磨参数优化

用天平分别称取1mg各塑料，将6种塑料各1mg加入5mL金属研磨罐，再加入0.15g硅藻土作为分散物质，放入9.6mm金属研磨球，拧紧盖子。放入液氮中冷冻3min, 取出研磨罐放入研磨仪中，研磨仪参数设置为50Hz 30s ，进行研磨。再放入液氮冷冻3min，然后研磨30s，如此共重复4次。取2mg进样PY-GCMS，用稳定性RSD来考察塑料研磨微颗粒和硅藻土分布均匀性是否满足实验要求。

每次取2mg，重复4次考察稳定性。结果如下表：

表3 连续4次进样的重现性RSD

从表3数据可知，PE和PET的RSD不理想，需要优化液氮研磨参数。则将液氮冷冻时间延长到5min, 研磨震动频率增大为65Hz ，研磨时间增大为40s，重复次数增大到8次。重新取样研磨后得到数据见表4。

表4 连续4次进样的重现性RSD

图1 连续4次进样的重现性谱图

由表4数据可知，6个塑料利用此优化后的液氮研磨参数，得到RSD均较理想，符合实验要求。

2.3 加标回收

从市场采购聚苯乙烯PS微颗粒标准品（购自辉质生物），粒径100μm，固含量1% 。取3个相同样品，分别加入1μL，则加入量为10μg 。进行同样前处理和PY-GCMS分析，则加标回收结果如表5，从结果可看出通过PS可得到加标回收率82~85%较理想，方法检测较准确。

表5 PS加标回收率结果

2.4 质量控制

须注意在取样和实验室样品制备过程中尽量减少污染。实验流程只使用玻璃和金属器皿。器皿用水和乙醇彻底清洗三次。在分析过程中，实验人员穿着100%纯棉制成的实验服。实验操作是在通风柜中进行的，以尽量减少空气中微塑料的污染。当样品未处理时，储存在封闭的玻璃单元中。所有溶剂(水、乙醇或氢氧化钾溶液)在PTFE 滤膜(0.45 um来自Sigma-Aldrich)上预过滤。样品管在使用前用热裂解仪的1000℃ 烧30秒，待冷却后放入样品进行测试。

2.5 样品中微塑料含量

在海洋生物中塑料含量与摄食方式、海洋栖息地或营养状况之间有一定关系[1]。微塑料是否从消化系统转移到组织或循环液中，微塑料是否只是短暂的在生物体中停留，则塑料颗粒的摄入、排出或排泄机制目前仍不清楚。样品中主要含有的微塑料是聚乙烯PE和聚丙烯PP，PE通常以最大的比例存在，通常超过总微塑料量的80%。据报道，PE在海洋样品中占主导地位，在海面上的平均比例为42% [2]。

图2 样品测试结果

实验结论

利用Pyrolysis-GCMS建立分析海洋贝壳类动物体内的6种微塑料含量的方法。通过液氮研磨方式，稀释6种微塑料标准品，并且建立标准曲线R2>0.95 ；考察液氮研磨的均匀性和稳定性，重复进样RSD<5%；通过聚苯乙烯PS 100μm粒径标准品考察加标回收率，范围为82~85%较理想；严格控制系统空白，测试结果准确性更可靠；几个样品的测试结果，为主要含有聚乙烯PE为10~15μg/g,其次含量是聚丙烯PP为0~2μg/g 。则证明此Pyrolysis-GCMS方法可准确有效的分析海洋贝壳类动物体内的6种微塑料含量。

参考文献

[1] Carbery, M., et al., 2018. Trophic transfer of microplastics and mixed contaminants in the marine food web and implications for human health. Environ. Int. 115, 400–409.

[2] Erni-Cassola, G., et al., 2019. Distribution of plastic polymer types in the marine environment; a meta-analysis. J. Hazard. Mater. 369, 691–698.

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