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      塑料人時代何以為家? 四種武器解構新“滅霸”

      儀器信息網 2019/05/22 16:30:42 點擊 1169 次
      默克工藝
      [導讀] 據預測,全球50%人口體內都能找到塑料微粒。這是美麗的代價更是濫用的懲罰,何為微塑料?危害千萬怎解?紅外光譜、色質聯用、拉曼、掃描電鏡等分析檢測聯盟引領“新滅霸”抗擊戰。

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      或許若干年后,能夠將人類與人工智能區別開來的,將不再是大腦,而是人類體內的微塑料含量。那些我們以為大自然會免費埋單的塑料垃圾,如今又將輪回為人類自己背負的十字架。據一項最新的研究報告預測,全球約50%人口的體內都能找到塑料微粒,《復仇者聯盟》中滅霸歷盡萬劫卻枉費心機的“理想”,竟被微塑料在悄無聲息中打了響指,塑料人時代已經來臨。

      雖然該預測仍有待證實,但是微塑料對人類社會的大范圍入侵卻已是不爭事實。2015年聯合國首次將微塑料污染列為新型環境污染的一大類型,與全球氣候變化、臭氧污染、海洋酸化并列為全球重大環境問題。那么微塑料到底是何方神圣?小小的它能對自然和人類造成怎樣的危害?又有哪些分析方法可以幫我們應對這個敵人,保護我們的家園呢?

      美麗的代價 濫用的懲罰

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      微塑料的概念首次出現在2004年的美國《science》期刊上,英國紐卡斯爾大學海洋污染研究團隊在其關于海洋水體及沉積物塑料碎屑污染的研究論文中對之進行了描述。根據其定義,微塑料是指直徑小于5mm的塑料纖維、顆粒與薄膜。海洋是微塑料的主要囤積場所,目前,海洋中微塑料垃圾大約有 10.5 萬噸,甚至在北極,每立方米海冰中含有的微塑料顆粒都多達240個,因此微塑料也得到“海中PM2.5”的形象稱呼。

      微塑料的誕生可以毫不夸張地說基本是人類活動的產物。與神話傳說的分類方式類比,微塑料也大致可以分為兩類,一類是初生微塑料,一類是次生微塑料。初生微塑料的主要來源也可一分為二,一類是化妝液、防曬霜、剃須膏、牙膏等個人護理、清潔用品中的柔珠,用以加速人體皮膚角質祛除,增加人體皮膚光滑度,進而達到深度清潔的目的。這種“柔珠”就是典型的微塑料。特別是打著“深層護理、深度清潔”招牌的護理用品,基本上都是依靠微塑料來滿足人類愛美、愛干凈的天性。另一類初生微塑料來源于洗衣機產生的超細纖維碎屑。據統計,一個10萬人口規模的小城市,每天經過洗衣機向水體中排放的細小纖維就會達到110千克,大部分屬于微塑料,其污染程度相當于向自然水體中扔掉1.5萬個塑料袋所造成的污染。

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      相當一部分的初生微塑料可以通過政策法律等措施進行有效限制,比如美國政府就在20165月頒布了全國首個微塑料禁用立法,明確禁止在個人護理用品、化妝品中使用微塑料,英國也緊隨其后頒布了相似法律。但是次生微塑料卻復雜難辦得多,次生微塑料的來源主要是塑料垃圾和浮渣在水環境中破碎而產生的碎屑。塑料經過物理、化學、生物的分解作用,可以從大塑料變小,由小變微產生的碎屑,形成各種尺寸和形狀的微塑料。次生微塑料具有更大的生態危險,由于塑料用品已經滲透到人類生活的方方面面,想要令行禁止,短期之內基本等于天方夜譚。

      “幽靈”消失之謎 兩大危害足以撬動地球?

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      來無影去無聲,除了纖細無聲地潛入外,微塑料竟然也能像幽靈蜃景一樣悠忽間消失,最近一項研究結果顯示,大洋海水中測到的小于 4.75 mm的微塑料數量比預測的要少 90% 左右。如此龐大的微塑料群體都去了哪里呢?一種假說是微塑料被海洋生物吞食了。細思極恐的是,這個假說已在多項研究中得到了證實,數百種海洋魚類、藤壺、牡蠣等海洋生物的消化道內都發現了微塑料。

      大魚吃小魚,小魚吃蝦米,隨著食物鏈層層傳遞,這些微塑料最終會隨著食物鏈進入人類體內。事實上,越來越多的研究表明,除了海洋外,越來越多的微塑料已經進入了陸地食物鏈,土壤里、蚯蚓體內、母雞糞便和胃里、城市自來水系統、食鹽、蔬菜、海鹽、啤酒、蜂蜜等產品中都發現了微塑料的痕跡,這也是為什么微塑料最終會進入人體的重要原因。

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      微塑料主要會帶來四大環境效應,上述講到的食物鏈效應首當其沖。生物攝食微塑料后,首先會由于其難以消化降解在體內累積,可造成生物的腸道堵塞、消化不良、體重減輕、行為遲鈍、生長生殖速率減慢等短期不良效應。最終這些隨著食物鏈從餐桌進入人體的微塑料,也會對人體的健康帶來危害,不少微塑料在生產中會加入阻燃劑、增塑劑等含有氯化烴類、鄰苯二甲酸酯類等毒性物質,大量攝入可能影響生殖發育,干擾內分泌等,更恐怖的是微塑料對重金屬和有機污染物具有吸附作用,這些具有顯著生物毒性的物質,難以被生物降解,富集在生物體內,容易造成蛋白質的失活或者引起慢性中毒。而納米尺度的微塑料甚至可以穿過生物細胞膜,對人體造成物理性的危害。

      除了對人類的傷害外,微塑料對整個生態系統也有巨大的破壞作用,一方面,微塑料的生物吸附作用可使得水體中的微塑料作為微生物和藻類提供附著位點,形成生物膜,并提供較穩定的微生物居住環境。由于微生物的附著,可能會改變塑料顆粒的某些物理性質如密度等,影響其遷移,并影響當地生物的生存狀況,一些致病性的有害微生物可給所入侵的生態系統帶來巨大的危害。另外,微塑料可向周圍環境中釋放毒性物質,這些毒性物質經常能與周圍環境發生一系列的反應,通過吸附或者其他表面相互作用結合周圍環境中的污染物,產生具有更大危害毒性的復合污染物,對生物產生復合毒性效應。

      蠻荒之地 四大分析儀器開路

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      微塑料的提出已經有十多年的時間,但是真正作為重大污染源進行系統研究,也就在近幾年才剛剛熱了起來。因此關于微塑料的分析檢測還基本是一片蠻荒之地,有大量的工作亟待開展。目前在微生物的分析檢測中主要用到的儀器有非破壞性分析儀器和破壞性分析儀器兩種,儀器信息網編輯對之進行了不完全的整理,匯總如下,以饗讀者:

      非破壞性分析方法

      1掃描電子顯微鏡分析(SEM

      在微塑料的物理性質中,顆粒粒徑與微塑料在環境中的遷移行為有密切關系,目前微塑料顆粒檢測的常用方法為篩分法,但實際上,相當一部分微塑料的粒徑范圍在激光粒度儀和納米粒度儀的射程范圍之內,該市場或許將成為激光粒度儀發展的又一片黃金沃土,在此先按下不表。而對微塑料另外一種重要物理性質——腐蝕性的分析,則需要用到掃描電子顯微鏡。

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      SEM-EDS

      微塑料的腐蝕主要是由生物降解、光降解、化學風化等環境外力造成的。腐蝕作用會在塑料表面產生裂縫,導致塑料斷裂成更細小的碎片,對微塑料表面形貌的表征需要再較高放大倍數下進行,因此研究中多以SEM為輔助,如掃描電鏡-能量色散 X 射線聯用分析技術(SEM-EDS),環境掃描電子顯微鏡-能量色散 X 射線聯用分析技術(ESEM-EDS)等。這種方法可在進行形態表征的同時,分析微塑料的元素組成,此外還能利用元素指紋排除采樣過程引入的微塑料,但該檢測方法的成本較高。

      事實上,目前在微塑料的物理性質表征的領域,顏色、形狀等大部分參數尚需要依靠目檢法完成。隨著人們對分析表征結果要求的提高,立體顯微鏡等高分辨率儀器也開始被用來確定微塑料的形態特征。

      2、紅外光譜分析

      紅外光譜分析同樣是一種非破壞性的檢測分析手段,此外還可以用未知樣品的紅外譜圖可與標準譜圖進行比對鑒定。目前傅里葉變換-紅外光譜分析法(FT-IR)可以說是微塑料界最常用的化學組分鑒定方法之一。

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      FTIR

      FTIR 的衰減全反射(ATR)、透射與反射等3種模式在微塑料分析領域均有所應用,但應用范圍有所差異。ATR模式適用于不規則微塑料的鑒定;透射模式能夠提供高分辨圖譜,但分析材料需足夠透明、輕薄,確保能被紅外線穿透;發射模式則可以完成厚、不透明材料的分析。FTIR法僅需通過過濾等簡單的預處理操作即可直接分析樣品中的微塑料,但該方法的鑒定結果受被測微塑料不均勻性、材料老化、環境塵埃等嚴重干擾,需要進一步完善以更好地適應環境樣品分析。

      隨著研究的不斷深入,基于焦平面陣列(FPA)的顯微 FTIR (Micro FTIR)也開始應用于微塑料的鑒定。Micro FTIR法充分結合了顯微鏡與 FTIR的優點,即在采集視場內的景物圖像的同時也能獲得視場內每一個像元對應的紅外譜圖。Micro FTIR 法分析迅速,僅數分鐘即可完成一次全面測試,再結合FPA就能滿足小粒徑微塑料檢測及區域范圍檢測的要求。

      3、顯微拉曼

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      Micro Raman

      拉曼光譜法被應用于微塑料的化學組分鑒定。拉曼光譜-顯微鏡聯用技術(Micro Raman)不僅能夠獲得表面官能團的信息,還可以觀測到局部的微觀形貌。然而顯微拉曼主要的狩獵范圍為10um以下的微塑料,而如何從環境中分離到10um以下的塑料進行實驗是一大挑戰,因此該分析方法,并沒有得到大范圍的應用。

      4.紅外成像系統

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      紅外顯微成像系統

      紅外顯微成像系統將傅里葉變換紅外光譜與紅外顯微鏡及微區成像技術有機結合,已被廣泛應用于微塑料的定性檢測,可測量尺寸小至約 10 µm 的微粒。目前知名儀器廠商如安捷倫、珀金埃爾默等都有豐富的微塑料紅外成像解決方案。

      破壞性分析方法

      熱解吸-氣相-質譜聯用技術(Pyr-GC-MS)&熱重-氣相-質譜聯用技術(TGA-GC-MS

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      TGA-GC-MS

      Pyr-GC-MS是不斷升高樣品池溫度,使得高聚物在特定溫度發生裂解,釋放短鏈小分子單體,再進入GC-MS 測定質荷比,從而推斷高聚物類型的一種方法。而TGA-GC-MS只是熱解的方法有所變化,后續分析過程與前相同。所有微塑料的熱解過程均為一步熱解,且所有微塑料均完全熱解。如果僅通過TGA 識別聚合物,則結果容易受到其他因素的影響導致假陰性或假陽性.因此,為了準確的量化微塑料,必須對熱分解產物進行GC-MS化學結構解析。雖然該方法對實驗條件要求較高,但具有樣品用量小、可定性定量分析、無需額外投加試劑等優點。做微塑料吸附實驗時,用這種方法比較多。

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      在上述幾種分析方法中,目前最受學界依賴的還是紅外光譜分析方法。另外,根據微塑料的顆粒大小,上述四種方法也有不同的適用范圍。由上圖可知,FTIR-ATR適用的微塑料粒徑范圍大概在數百um-5mm的范圍內,顯微紅外光譜的適用范圍在10um-數百um之間,而顯微拉曼的范圍則在1um-10um之間。Pyr-GC-MS TGA-GC-MS則適用于1um以上的全尺寸微塑料。另外,上圖沒有顯示的掃描電鏡-能量色散X射線聯用分析技術(SEM-EDS)以及環境掃描電子顯微鏡-能量色散 X 射線聯用分析技術(ESEM-EDS)適用的微塑料粒徑范圍一般需要大于20um

      微塑料的復雜性決定了其研究方法的千差萬別,目前,在微塑料的分析研究中,有三大問題是研究中遇到的難點:首先橫亙在研究者面前的就是分離前處理微塑料的環境來源千差萬別,可以是垃圾場、垃圾滲出液或者污水廠等,如何在某個場景下的進行完善的分離和前處理是一個難點。其次,如前所述對小粒級的微塑料鑒定也非常棘手,因為樣品很難得到,直接從礦泉水樣品中過濾有可能得不到微塑料,而野外樣品中如何分離出10um以下的微塑料又難以解決。除此之外,在進行紅外光譜分析時,如何快速計數濾膜上的微塑料顆粒也是研究者之殤,現有的很多研究都需要一個個遴選樣品顆粒并上機檢測,效率較低。

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          知己知彼方能百戰不殆,如何解決微塑料分析研究中遇到的難點,關系著人類對微塑料的研究可以深入到什么程度,在這場人類與微塑料的戰役中,我們需要更多、更有效的分析儀器和檢測手段來扮演鋼鐵俠的角色。畢竟人類自己孕育的新“滅霸”,需要整個人類聯盟共同去抵抗,而科技和智慧就是我們自我救贖最好的武器。

         微塑料檢測典型儀器點擊綠色通道獲取。

      [來源:儀器信息網]
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      編輯: 李易明
      hach
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      最新評論:
      • 是好文章,錯別字不少
        05月23日 09:09:37

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      島津GL
      安捷倫
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