基于聚苯乙烯微球标定含碳量低于100 μg固体样品燃烧法总有机碳分析仪的简便可靠方法

《Analytical Chemistry》：An Easy and Reliable Method for Calibrating Combustion-Based Total Organic Carbon Analyzers for Solid Samples Containing Less than 100 μg of Carbon Using Polystyrene Microspheres

　　

基于燃烧法的总有机碳（TOC）分析仪用于固体样品时，是估算环境样品中微塑料质量的有力工具。然而待定量微塑料浓度较低时，可能需要在低于100 μg碳（μgC）范围内进行TOC标定，这一过程往往繁琐耗时。本研究提出一种快速、可靠且易操作的标定程序，采用单分散致密聚苯乙烯（PS）微球，标称直径分别为200或250 μm。在8至50 μgC范围内，PS微球所得标定曲线呈线性，且与葡萄糖稀溶液参照标定曲线统计等效，证实了该方法的有效性。该标定程序成功用于定量未知PS微球的碳含量并准确判定其尺寸，对13个直径400–525 μm随机颗粒的平均尺寸回收率达98%±2%。此外，研究指出耐久尼罗红（Nile Red）染色后PS微球碳含量升高可由TOC分析评估，升高原因可能是PS颗粒被加热至玻璃化转变温度以上时有机溶剂被滞留在聚合物结构中。该替代标定程序可提升多领域TOC分析的准确性与便捷性，包括环境监测中低微塑料含量的测定。

研究背景方面，微塑料分析领域长期缺乏能在小于1 mm尺寸下兼具高特异性、高通量与低成本的定量方法。光谱显微技术如显微傅里叶变换红外光谱（μFT-IR）与显微拉曼（μRaman）虽可识别聚合物类型并给出尺寸与数量，但单样分析常需数天且仪器昂贵，数转质还需假设三维形貌而引入不确定度；热分析技术如热脱附-气相色谱质谱（TED-GC/MS）与裂解-气相色谱质谱（Py-GC/MS）可得质量定量但破坏样品且无法获尺寸形貌。总有机碳（TOC）分析仪作为通用碳检测器，在样品“洁净”或经去除非塑有机质处理后，残留TOC可归因于微塑料，成为廉价快速指标，而环境样品微塑料碳通常低于100 μgC，故低量程标定需求明确。既有葡萄糖稀溶液标定法虽可达3 μgC检出限却操作繁琐。因此研究人员开展以单分散PS微球替代葡萄糖溶液、实现8 μgC起量的固体TC标定研究，并拓展至单颗粒尺寸反演与染色干扰评估，论文发表于《Analytical Chemistry》。

主要关键技术方法上，研究人员以标称200 μm与250 μm单分散PS微球及500–600 μm筛分PS颗粒为样本，使用岛津SSM-5000A固体燃烧单元（900 °C，纯O₂）耦合TOC-L CPH（NDIR检测CO₂）进行总碳（TC）模式分析；以葡萄糖稀溶液重力配制参照标曲；PS微球经乙醇分散后单颗移入陶瓷舟80 °C烘干进样；部分PS_200经微波辅助耐久尼罗红染色；以μRaman显微镜（785 nm，10×）核验聚合物身份与直径；以氯化钙密度梯度离心估算微球密度；以葡萄糖标曲回算染色引入的超额碳。

研究结果部分，“与原始PS微球对比葡萄糖参照的标定”显示，PS_200与PS_250在8–50 μgC内标定曲线线性（R²>0.995）且与葡萄糖参照斜率截距无统计差异（P>0.05），仪器TC模式定量限（LOQ）实证为8 μgC，单颗PS_250（8.117 μgC）可检，单颗PS_200（4.306 μgC）不可检，故PS_200自三颗起标。“耐久尼罗红染色对单颗粒碳含量的影响”表明，PS_200_NR标曲斜率显著高于未染PS_200（P<0.05），每颗超额碳m_NR为0.19±0.09 μgC，即染色后均碳4.496 μgC（增4.4%）；尼罗红本身仅贡献<0.1%，μRaman见直径增约2%、密度由1.045–1.050降至1.030–1.035 g cm^–3且颗粒变不透明，推断为染色中高于玻璃化转变温度（T_g≈100 °C）时乙醇滞留聚合物内所致，后续加热回缩尝试未果。“基于TOC的微球尺寸估算”中，13颗500–600 μm未知PS珠经TOC反演直径与μRaman实测高度相关（r=0.9999，斜率0.979±0.005），平均尺寸回收率98%±2%，证实LOQ 8 μgC下对直径250–310 μm以上球粒可准确反演尺寸，且方法可推广至任一含碳聚合物。

讨论与结论翻译总结：研究人员提出以200或250 μm单分散致密PS微球作TC标定的替代法，在亚100 μgC区线性且与葡萄糖参照等效，可快速用于各类低浓度TOC分析；耐久尼罗红染色会显著抬高PS碳含量，主因系T_g以上加热时乙醇滞留，故染色微球除非密度与碳含量精知否则不宜作标物；TOC标曲常跨月使用，建议每次开机以已知碳微球作质控样核查回收率；在8 μgC LOQ下，TOC可依据碳质量反演直径大于250–310 μm（依聚合物而异）的球形微塑料粒径，与显微测量高度一致。该研究为环境低微塑料负荷样品的TOC质控与单颗粒联用分析提供了简便、可追溯的标定范式。