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海洋微塑料检测方法研究

吕露露  
【摘要】:微塑料作为海洋环境中的新型污染物,近年来引起了全世界范围内的广泛关注。通常把粒径小于5 mm的塑料颗粒定义为微塑料,其主要来源于塑料制造业中泄露的原料、由大型塑料通过物理,化学或生物过程碎裂而形成的碎片以及各种日常用品中添加的塑料微珠等。由于尺寸与低等浮游生物类似,微塑料容易被海洋生物所误食,并且可通过食物链对更高级生物甚至人类健康造成威胁。目前大部分研究都集中于微塑料在环境中的丰度调查。但是由于分析方法和仪器的限制,环境中的微塑料含量容易导致高估或者低估。本研究针对微塑料的识别与定量分析、微塑料和纳米塑料的化学定性分析这两个方面进行研究,主要内容与结果如下:1.环境中微塑料的荧光定量研究利用塑料的热胀冷缩特性,开发了一种新型的荧光染色方法,用于荧光定量分析环境中常见的微塑料。在较高温度下塑料的大分子链发生松弛,此时加入染料分子使其进入塑料内部。而当温度降至室温时,塑料分子松散的结构转变成致密的结构,从而使染料分子包裹在塑料内部中。基于此原理,本研究使用三种不同的染料:尼罗红(nile red,NR)、异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)和番红T(safranine T)在染色温度分别为25℃、50℃、75℃和染色时间分别为10 min、20 min、30 min的条件下对环境中四种常见的微塑料:聚乙烯(polyethylene,PE)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)和聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)进行染色。使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)、傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)以及拉曼光谱对染色前后的微塑料进行表征分析。结果表明,三种染料染色的PE、PS、PVC和PET四种微塑料在加热之后都表现出良好的荧光信号,其中大部分在50℃下染色30 min时表现出最佳的荧光强度。SEM和TGA、DSC的结果显示,在实验最高温度75℃下染色30 min的微塑料其微观结构无明显破坏,在100℃以下的温度范围内四种微塑料的热稳定性都较好。FTIR和拉曼光谱的结果表明,微塑料的化学成分分析并未受到染料分子的干扰。此外,该方法还被成功应用于海洋生物样品中微塑料的定量分析,结果显示在方格星虫中存在约54个/克(干重)微塑料。2.水环境中微塑料和纳米塑料的化学定性研究基于表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)技术对水溶液中的微塑料和纳米塑料进行化学定性研究。本实验选用银溶胶作为SERS的活性基底、氯化钠(sodium chloride,Na Cl)作为促凝剂,分别在不同环境中(纯水和海水)测试不同尺寸(100 nm、500 nm、10μm)和不同种类的微塑料和纳米塑料(PS、PE、聚丙烯(polypropylene,PP))。通过分析样品与银溶胶的不同体积比、不同Na Cl浓度和不同样品浓度来研究水溶液中微塑料和纳米塑料的拉曼增强效率。使用透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)和动态光散射(dynamic light scattering,DLS)对银溶胶和纳米塑料进行表征。结果表明,不管是在纯水还是海水中,微塑料和纳米塑料的拉曼信号都得到了良好的增强。其中,当PS球水溶液与银溶胶的体积比为1:1、Na Cl浓度为0.25 mol/L时,100 nm和500 nm的PS球都表现出最强的拉曼信号。尤其是对于500 nm PS球来说,增强效率最高,其增强因子可达到4×10~4。基于SERS的分析方法不仅克服了液体中检测微塑料和纳米塑料的局限性,并且还可检测低至40μg/m L的100 nm塑料。


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