微纳塑料光学与质谱检测技术发展期望：微观化、可视化——访南开大学汪磊教授

十八年前，英国普利茅斯大学研究人员发表在《Science》上一篇的文章，让“海洋微塑料”进入人们的视野。海洋微塑料是典型的人类污染物，任何一个海洋国家都存在着海洋微塑料的污染，南北极也不例外。这与地区的经济发展程度和人类活动密度直接相关，我国沿海地区多为人口密度大、经济较发达的地区，也不可避免地存在海洋微塑料污染。

如今，微塑料已经成为我国乃至全球环境领域的研究热点，而且随着研究的深入，微塑料的介质、粒径以及研究方向均有了进一步的发展。近日，仪器信息网采访了南开大学汪磊教授，就环境微塑料研究现状、痛点和瓶颈及其对生态和人类健康造成的危害等话题进行了深入交流。

汪磊教授 南开大学

微塑料研究进一步发展：介质、粒径、研究方向

微塑料的研究语境不再仅限于海洋，其介质已从海洋环境拓展到淡水环境、陆地环境及大气环境。如大量使用农膜，造成土壤环境出现微塑料；日常洗衣服时，涤纶和尼龙等材质的衣服释放出来的纤维也属于微塑料，进入淡水水环境，造成淡水环境的污染；空气环境中，微小的塑料颗粒通过扬尘进入大气环境，一些更小的颗粒可能会长期悬浮于大气当中，甚至会进一步向大气层上层迁移，并随着气团进行长距离的迁移。这些都是已经有科学证据的环境行为。因此，整个地球面临广泛的微塑料污染。

随着微塑料研究的持续开展，研究方向和粒径方面也都有了更进一步的发展。研究方向从最开始的环境调查逐渐深入到毒理学效应和机制的研究；研究对象的粒径也越来越小，从最早微塑料定义的粒径5mm以下，到后来欧洲科学家提出的2mm以下，如今，动物实验发现亚微米级和纳米级的颗粒物更有可能在环境暴露后被吸收并进入到内循环，从而带来更大的健康风险，这引起科学家更为广泛的关注。

微塑料研究难点：样品检测和源解析

目前，微塑料研究的难点和瓶颈主要在于样品检测。实验室里对纯的化学品、塑料聚合物开展研究相对容易，因为这些物质在检测时加入的成分和剂量都是可控的，甚至还可以用一些染色或同位素标记的方法进行示踪。但环境里的微塑料本身表面粒径很小，比表面积很大，发生同质和异质聚集的能力较强，且有时易在环境中发生老化而与初始状态不同，给检测带来困扰。

环境微塑料源解析也是一大瓶颈问题。微塑料的源头和归趋永远是大家关注的问题，由于塑料聚合物本身结构往往是由简单的碳氢结构组成的，很难建立特征性的指纹图谱去分析不同地域环境微塑料到底有哪些差别，所以常规通过化学成分指纹图谱进行污染物溯源的方法不一定适用于微塑料的污染研究。因此，找到合适的、能够对环境微塑料进行科学源解析的方法，也是目前研究当中的瓶颈问题。

此外，亚微米级和纳米级别的颗粒已经成为研究人员关注的重点，同时，更小的粒径也使它们的检测难度也非常大，需要科学家和仪器公司技术人员共同努力来实现突破。

首创化学解聚质谱检测技术 获学术界认可

由于自身具有痕量污染物的环境行为和环境检测研究背景，汪磊自2015年开始关注环境微塑料，当时国内已经有许多团队在开展相关研究工作，但这其中环境分析化学领域的团队还不多。起初，环境生物学专家研究塑料污染时采用的检测技术仍以显微镜下对颗粒观察计数为主，汪磊认为镜检方法虽然可以满足部分实验要求，但由于偶然因素干扰较多，且受前处理过程和操作人员的限制，该方法不适用于痕量微塑料和亚微米尺寸的塑料颗粒检测，也难以实现方法的标准化，且其检测结果也难以用于环境微塑料的释放和迁移通量计算。

结合自身研究专长，汪磊团队以将塑料聚合物通过化学解聚的手段解聚成具有特异性的单体化合物，以质谱对单体化合物进行分析检测，进而回溯到聚合物本身的质量思路，开发出聚酯、聚碳酸酯、聚乳酸、尼龙等微塑料的质谱检测技术，搭配镜检技术一起使用，具有更好的准确性和灵敏度。采用该方法，汪磊团队进行了包括污染调查和微塑料环境行为方面的研究，相关检测方法分别发表在美国化学会刊物Environmental Science & Technology Letters（EST Lett）、和Analytical Chemistry上，并被EST Lett杂志评为2017年年度最佳论文。

采用质谱检测-镜检结合方法，汪磊团队对一些典型塑料污染场景进行了研究，如提出以质谱检测配合光学显微方法能更准确地评估洗衣废水对污水处理厂进水中微塑料污染的贡献；评估了大气沉降与剩余污泥再利用对陆地环境中微塑料污染的输入通量；发现了垃圾填埋场矿化垃圾土中微塑料和它的前体物以及塑化剂在成分分布上的变化与填埋时间存在相关性；并结合环境微生物学技术，揭示了室内灰尘中较高浓度的微塑料特别是生物可降解塑料微粒会影响室内环境中微生物的群落结构，这些研究成果于在EST、科学通报等刊物上连续发表。此外，汪磊还对微塑料的长距离迁移、“双碳”战略背景下生物质塑料和可降解塑料等新课题进行了一些初步的探索。

由于从事环境微塑料技术的研究，2021年，汪磊团队获得安捷伦公司的全球开放型课题的支持，汪磊表示：“我很感谢安捷伦，我们很多研究工作都是用安捷伦的仪器完成的，如Agilent 8700 LDIR激光红外成像系统，以及LC/MS/MS产品。安捷伦特别关注微塑料方面的技术开发，也愿意与科研单位合作，因此我们双方一拍即合。”

汪磊团队合影

质谱技术在反映聚合度和粒径方面存在局限性

当前，环境微塑料研究主要用到光学和质谱学两种技术手段，光学手段包括普通光学显微镜和结合聚合物特征光谱开展的显微光学技术，后者如显微红外、显微拉曼等，实验室研究还可用到电镜、原子力显微镜等。大部分微塑料研究工作只会采用两种手段中的一种。

在微塑料检测中，光学手段使用更为广泛，该技术简单直接，对研究条件要求较低，方便使用。光谱学手段可以识别塑料聚合物，因此红外光谱在微塑料检测中迅速成为主流技术。

质谱学方法在采用不同解聚或裂解处理后，以液质或气质联用仪对相对完整的聚合物功能单体化合物或聚合物的分子碎片进行检测，再回溯聚合物质量。

微塑料的质谱检测技术还存在一定局限性，如热裂解技术在产生碎片时一些环境基质会产生同类碎片，对样品分析造成干扰。而相对温和的化学解聚手段也并不能有效解聚所有塑料聚合物，且如果产生的功能单体不具有特异性，该方法将同样面临基质干扰的问题，这些问题限制了质谱技术的应用发展。

质谱分析样品解聚手段的另一大局限性是无法有效区分不同聚合度的聚合物，低聚物也会产生相同的碎片和功能单体，因而会对微塑料的定量产生干扰。“在研究过程当中，我们也不断地被要回答编辑和审稿人提出的这类问题，尽管这些低聚物相对于高聚物来说体量常常微小到可以忽略不仅，但它总归是一个客观存在的误差。”汪磊讲到，“但低聚物本身是否也有环境风险和研究的意义呢？”

光学技术需更微观 质谱技术期待原位可视化

当前，两种主要的微塑料检测技术都存在一定的局限性，汪磊详细讲述了局限问题并提出了对微塑料分析技术的发展期许。

光学技术最大的局限性体现在更小粒径的微塑料检测灵敏度不足。目前市场上常见显微红外技术产品灵敏度多在10~20微米左右，这个尺度以下的环境微塑料很难被识别；显微拉曼技术灵敏度相对较高，但对5微米以下的样品也很难检测。因此，光学技术，需要在灵敏度方面进一步发展，使分析更加微观化。

质谱方面，希望能发展对高分子聚合物直接进行检测的质谱技术，虽然据悉已有相关技术，但尚未能应用到塑料聚合物的检测上；另外，现有质谱方法分析塑料聚合物时，只能间接证明它的存在，不能实现微塑料的直接原位检测，说服力不足，期待适用于微纳塑料的质谱成像检测技术出现，从而更直观地揭示这些人造高分子聚合物的生物富集行为和毒理学作用机制。

政策监管尚空白 制定相关标准应考虑多技术结合

目前，在政策方面，针对塑料本身的地方性和行业性的约束，如各类“限塑令”时有颁行，但目前尚未出台针对微塑料的监管或污染治理标准。据悉，国家海洋监测中心编制了《海洋微塑料监测评价技术规程(试行)》。

全球公认的环境微塑料污染监测标准技术尚未形成，各国和各团队使用的方法不同程度上存在差别。“因为环境微塑料的检测本身有很大的困难，同时又要考虑到自身的污染现状、科研能力和软硬件条件，因此构建科学、实用的监测和检测标准方法十分具有挑战性。”汪磊解释。

汪磊认为，在制定环境微塑料相关监测法规或标准时，应考虑多种技术结合，例如光学检测的计数结果不利于数据之间的比较，质谱学技术无法直接反映颗粒形态和聚合度，两种技术的结合可以提高检测结果的准确性和科学性。

大众应正确面对微塑料危害 减少环境中的微塑料排放

微塑料对于生态环境和人类健康都存在一定的风险。较大粒径的微塑料易被动物摄食，导致海洋生物食道阻塞、厌食甚至死亡；附着到珊瑚礁表面的微塑料会引起珊瑚病变，而由于珊瑚礁对于海洋环境调节十分重要，珊瑚礁的死亡会引起一系列不良海洋环境生态效应的出现；也有研究表明，土壤环境中，微塑料会影响营养物质的传质，导致植物对营养物质的吸收障碍；浮萍类水生植物容易与悬浮的微塑料结合在一起，影响生物表面膜的通透性；微塑料表面普遍具有疏水性，其负载的内生和外源污染物对生物也可能存在毒性，这些都反映了微塑料对生态环境的潜在风险。

同时，微塑料的人体暴露广泛存在，由于微塑料中存在未聚合的单体化合物、及其含有的添加剂和吸附的其他污染物，人体摄入微塑料后，这些物质可在人体内释放，造成人类对这些化学品的额外摄入；微塑料表面微生物的特异性定植可能形成独特的微生物 “塑料域”，在致病菌和抗性基因传播方面可能导致新的风险。此外，塑料纳米颗粒本身也可能对人类健康产生危害，这方面的研究仍“在路上”。

但由于人体摄入微塑料的机会和剂量都不大，微塑料对人体健康的已知影响并不显著。塑料是人造高分子聚合物，而自然界中动物、植物、微生物也都在制造高分子聚合物。人们每天都可能摄入木质素颗粒，这些植物聚合物颗粒无法被消化吸收而会自行排出体外，所以对人造聚合物也没必要过分紧张。汪磊认为，对于大众来说，还应正确面对其对健康产生的潜在影响。

最后，汪磊建议，减少微塑料的污染，应该从减少塑料的污染。“塑料作为20世纪最伟大的发明之一，给人类带来了巨大的便利，减少塑料污染并不等于放弃使用塑料，而是增加其循环使用和回收再生，从而减少环境中的塑料排放，这对我们每一个人或者说对每一个消费者来说是最容易做到的事情。”

人物简介：

汪磊，南开大学教授、博士生导师，环境科学系系主任，“环境污染过程与基准”教育部重点实验室副主任。主要研究领域为新型污染物的环境行为与环境暴露。曾获得国家海洋科技进步二等奖、天津市科技进步一等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖；首届全国环境化学青年奖。获得国家基金委优青基金项目、天津市杰青项目，入选天津市中青年创新领军人才、131创新人才第一层次，并担任Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology亚洲副主编、Ecotoxicology and Environmental Safety编委、环境科学学会环境地学分会、环境化学分会委员。