微塑料分析样品前处理中所用方案和试剂的评估 – 对参考材料物理化学性质的影响及未来评估建议

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Evaluation of protocols and reagents used during sample preparation for microplastic analysis – consequences for physical and chemical properties of reference materials and recommendations for future assessments

　　

提取和消解程序（extraction and digestion procedures）的多样性日益增加，阻碍了微塑料（microplastic）数据的可比性，凸显了跨环境基质（environmental matrices）采用统一方法学的必要性。参考材料（reference materials, RMs）和实验室间比对研究（interlaboratory comparison studies）是支持方法（methods）和数据（data）的质量保证/质量控制（QA/QC）的重要工具。为了评估微塑料（microplastics）对常用样品前处理程序（sample preparation procedures）的耐受性，研究人员测试了六种聚合物（polymer），包括聚丙烯（polypropylene, PP）、聚乙烯（polyethylene, PE）、聚苯乙烯（polystyrene, PS）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）和聚碳酸酯（polycarbonate, PC），分为两个尺寸组分（size fractions）：50-300 μm和3-5 mm。所有塑料均经受六种不同的处理方案（treatment protocols），包括化学溶液：10%氢氧化钾（potassium hydroxide, KOH）、30%过氧化氢（hydrogen peroxide, H₂O₂）、Fenton试剂（Fenton’s reagent）（H₂O₂ + 七水合硫酸亚铁（iron(II) sulfate heptahydrate））、10%次氯酸钠（sodium hypochlorite, NaClO）和10%乙酸（acetic acid, CH₃COOH），以及冷冻干燥（freeze-drying）。处理后，研究人员检查了颗粒的物理或化学特性变化。本研究并非旨在识别新的降解机制，而是在候选微塑料参考材料验证（candidate microplastic reference material validation）的背景下，对常用样品前处理方案进行系统比较。研究人员建立了一个半定量评估系统（semi-quantitative evaluation system），以评估其未来用于参考材料和实验室间比对应用的适宜性。结果显示，PET和PVC发生了轻微的物理和化学变化。NaClO和CH₃COOH的损害程度低于KOH和Fenton试剂。总体而言，对颗粒完整性的影响有限，表明除PET外，测试的前处理步骤对分析结果影响极小。因此，测试的微塑料可被视为覆盖30-5000 μm尺寸范围的参考材料的合适候选材料。

**研究背景与问题**
微塑料（microplastic, MP）定义为尺寸小于5 mm的塑料颗粒，广泛分布于海洋、湖泊、河流、沉积物、土壤和大气中，对环境和人类健康构成潜在危害。然而，目前缺乏统一的测量和量化方法，研究人员采用多种不同的样品前处理方案（包括消解和密度分离），导致数据在丰度、尺寸、颜色、形状和聚合物类型上难以比较。这种不一致性阻碍了MP影响的评估与缓解。参考材料（reference materials, RMs）和实验室间比对（interlaboratory comparison, ILC）是支持质量保证/质量控制（QA/QC）的关键工具，但现有研究对候选RMs在ISO 24187:2023框架下的稳定性评估仍有限。因此，本研究旨在系统评估常用样品前处理方案对候选MP参考材料物理化学特性的影响，为方法统一和ILC设计提供依据。论文发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》。

**研究人员开展的研究**
研究人员选取六种常见聚合物（聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚氯乙烯PVC、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚碳酸酯PC），分两个尺寸组分（50–300 μm和3–5 mm），分别暴露于六种处理方案：10% KOH、30% H₂O₂、Fenton试剂（H₂O₂ + FeSO₄·7H₂O）、10% NaClO、10% CH₃COOH以及冷冻干燥，处理后评估颗粒的物理（形态、尺寸、质量）和化学（傅里叶变换红外光谱FTIR光谱、羰基指数CI）变化，并建立半定量评分系统用于判定材料适宜性。

**主要关键的技术方法**
- 聚合物来源：PP、PE、PS、PVC、PET由INEOS（挪威）、Sigma Aldrich（美国）等提供，PC来自Goodfellow（英国）；较大颗粒（3–5 mm）直接购得，较小颗粒（50–300 μm）通过低温研磨获得。
- 处理方案：六种方案包括5种化学试剂（KOH、H₂O₂、Fenton试剂、NaClO、CH₃COOH）及冷冻干燥，均在40°C、100 rpm震荡孵育24 h（除冷冻干燥外）。
- 物理表征：使用立体显微镜（Nikon SMZ745×T）拍摄图像，ImageJ软件测量Feret直径（D_max），分析天平（Sartorius）称量质量。
- 化学表征：小颗粒采用透射模式μFTIR（PerkinElmer Spotlight 400），大颗粒采用ATR-FTIR（Agilent Cary 630），计算羰基指数（CI）并记录光谱一致性指数（HQI）。

**研究结果**
**3.1 回收率**：所有方案回收率均>90%，大颗粒完全回收，小颗粒回收率94.4%–100%。KOH处理下PET颗粒出现碎裂，其他聚合物未见明显退化。
**3.2 物理变化**：通过显微镜观察和尺寸/质量测量发现，KOH（方案1）对PET影响最严重，大颗粒平均尺寸减少45%，质量减少78%；小颗粒尺寸减少29%。H₂O₂（方案2）导致PC表面出现微裂纹，Fenton试剂（方案3）使几乎所有小颗粒及部分大颗粒变黄，NaClO（方案4）对PET造成轻微侵蚀。方案5（CH₃COOH）和方案6（冷冻干燥）及对照组未观察到显著物理变化。
**3.3 化学变化**：FTIR光谱显示，多数聚合物峰值变化微小，HQI值保持较高（>0.9）。KOH处理下，PE和PET出现峰值波动（如PE在2634–1469 cm^?1区域，PET在3744–3053 cm^?1出现宽吸收带），可能指示碱性水解；PP在2943 cm^?1和2834 cm^?1峰值减弱。H₂O₂对PP和PS光谱有轻微影响。大颗粒部分，PC在方案2和6中缺失1605 cm^?1吸收峰，PE在方案2和6中1020 cm^?1出现额外峰。CI值在不同方案下波动，但无显著差异（p>0.05）。KOH对PET损伤最显著。
**3.4 方案评估系统**：基于半定量评分（0–5分），方案2、4、5、6对小颗粒评分相同（32分），方案1得分最低（小颗粒22分，大颗粒24分），方案4和5对大颗粒表现最佳（32分）。KOH因引起PET碎裂和光谱变化被评为最差。
**3.5 方法优化与建议**：NaClO和CH₃COOH对聚合物损伤最小，适合需要保留物理化学完整性的场景；Fenton试剂虽造成颜色变化，但可通过冲洗步骤消除，且消解效率高；KOH对PET破坏性强，但低浓度（5%–8%）可能适用于土壤等基质。研究强调，测试在无环境基质条件下进行，实际应用需结合消化效率和回收率进一步验证。

**讨论与结论**
研究讨论指出，NaClO和CH₃COOH在无基质条件下对参考材料损伤最小，但环境样品中消化效率和基质去除能力未知；KOH和Fenton试剂虽有负面影响，但文献报道其消解生物质效率高，需根据实际样品和实验目标选择方案。结论部分翻译如下：
本研究对MP分析中常用样品前处理方案进行了系统比较，评估了六种聚合物、两个尺寸组分和六种方案对颗粒完整性的影响，为方法统一和ILC设计提供了依据，并支持这些材料作为候选MP参考材料的适用性。在测试的无基质条件下，10% NaClO和10% CH₃COOH对六种聚合物的物理化学性质损伤最小，适宜用于保护候选参考颗粒的应用。然而，其处理真实环境样品的适用性取决于消化效率、回收性能和基质复杂性，本研究未作评估。相反，10% KOH在本研究的无基质条件下导致PET显著降解，表明在处理含PET样品时需谨慎。这些发现支持ISO 24187:2023框架下参考材料的开发与评估，并建议将所评估聚合物作为ILC中候选RMs使用，同时需考虑特定试剂对聚合物的脆弱性，以确保全球MP数据的可靠性和可比性。未来研究应使用真实环境基质（如沉积物、污泥、生物组织、富有机质水体）评估这些方案，并纳入更大样本量和互补表征技术（如SEM、Raman光谱、XPS、DSC），以确定评分系统在真实样品流程中的适用性及低颗粒损伤是否伴随充分的基质消化和颗粒回收。