解决方案 | Pyrolysis-GCMS定量分析贝壳类动物中微塑料
刘石磊 郑力赏
(北京莱伯泰科仪器股份有限公司,北京 101318)
摘要: 介绍利用Pyrolysis-GCMS对贝壳类动物进行6种微塑料检测。样品前处理主要采用氢氧化钾消解,结合液氮研磨方式对样品滤膜进行研磨均质前处理。通过稳定性、加标回收率考察,证明此方法能够有效分析贝壳类动物中微塑料含量。
关键词:Pyrolysis-GCMS;微塑料;贝壳类动物;液氮研磨
全球每年产生塑料垃圾数亿吨,由于全球塑料排放严重,大量塑料颗粒进入海洋生态系统。贝壳类动物主要生活在海水中,这导致微塑料进入贝壳动物体内,而人类在食用贝壳类动物时,微塑料又进入人体内,则对贝壳类动物体内微塑料含量进行测定很重要。
大于20μm的微塑料可以通过傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱分析,对小于20 μm的微塑料较难使用这两种仪器分析。在这种情况下,热裂解-气相色谱-质谱(Py-GCMS)是一种非常有效的分析手段。Py-GCMS没有微塑料尺寸限制,观察范围取决于滤膜的孔径,可以做到全覆盖。PY-GCMS检测不足是缺失塑料污染物的平均尺寸分布。使用Py-GCMS可以在一次分析中检测多种微塑料,也大大节省了实验时间。
PY-GCMS分析方法使用碱性消解,结合液氮研磨方式,通过稳定性、加标回收考察,证明此方法是一种贝壳类动物中微塑料定量分析的可靠方法。
1.实验
1.1实验材料
样品:市场采购4种不同海洋类贝壳,分别为生蚝、蚬子、蛤蜊、扇贝。
标准品: 聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP), 均采购自阿拉丁(上海)。 聚苯乙烯(PS) 100μm粒径标准品,采购自辉质生物公司。
1.2 实验仪器
热裂解仪采用热丝(铂线圈)加热方式,Pyroprobe 6200,CDS Analytical公司;GC-MS为气相色谱GC7890 结合质谱MS-5975,安捷伦公司。
1.3 实验过程
从市场采购4种海洋贝壳类样品,样品去壳后,被转移到装有玻璃瓶盖的30mL玻璃瓶中。加入预过滤的10%氢氧化钾水溶液,加入量为1g肉加入80ml氢氧化钾水溶液。利用10%氢氧化钾消解,温度为40℃消解24小时。氢氧化钾水溶液采用预过滤,在直径为25 mm、孔径为0.45 μm的滤膜过滤(来自Sigma-Aldrich),以去除任何潜在的塑料污染。将瓶置于摇床培养箱中,在40℃下连续搅拌(500 rpm) 48小时。用一个装有氢氧化钾溶液但没有样品的玻璃瓶作为方法空白。消化完成后,将样品从培养箱中取出,
将样品液在真空抽滤的石英滤膜上抽滤,石英滤膜(购自whatman)的直径25mm。
将滤膜放入5mL金属研磨罐,加9.6mm金属研磨球,拧紧盖子。放入液氮中冷冻5min, 取出研磨罐放入研磨仪中,研磨仪参数设置为65Hz 40s ,进行研磨,再放入液氮冷冻5min,然后研磨40s,如此共重复8次(研磨仪购自上海净信)。
取2mg(天平购自Sartorius Micro Balance)研磨稀释后样品放入热裂解的样品管中,样品管放入热裂解仪中,利用PY-GCMS进行分析。
1.4 仪器参数
热裂解参数:
热裂解700℃ 40s ;Interface 300℃;阀箱300℃;传输线320℃
GC-MS参数:
进样口320℃;50:1分流;色谱柱DB-5MS 30mx0.25mmx0.25μm
柱温箱40℃保持2min ,10℃/min升到100℃, 50℃/min升到300℃,保持3min ;柱流量1mL/min ;接口320℃; EI源; SCAN 35-600amu;离子源230℃;四极杆150℃;离子源EI 70ev ;溶剂延迟 0.5min
2.结果与讨论
2.1标准曲线
微塑料的标准曲线制作是难点,因为标准曲线的几个级别的样品量为微克级别,天平难称取,则采用液氮研磨稀释方法得到稀释后的标准品粉末,可以进行称量。
实验采用硅藻土作为分散物质,硅藻土主要为二氧化硅,对热裂解谱图背景影响小。事先将硅藻土在马弗炉800℃ 烧2小时,去除硅藻土中杂质。取2mg硅藻土进行PY-GCMS空白考察,确定无杂质峰出现,再作为实验中分散剂使用。
用天平分别称取1mg各塑料,将6种塑料各1mg加入5mL金属研磨罐,再加入0.15g硅藻土作为分散物质。放入9.6mm金属研磨球,拧紧盖子。放入液氮中冷冻5min, 取出研磨罐放入研磨仪中,研磨仪参数设置为65Hz 40s ,进行研磨。再放入液氮冷冻5min,然后研磨40s,如此共重复8次。得到微塑料在硅藻土中 的6667μg/g标准物质。
分别取硅藻土分散的微塑料标准物质0.66mg、0.97mg、1.48mg、1.97mg、2.44mg,放入热裂解样品管中,共5个级别标准物质,则对应各微塑料质量为4.4μg、6.47μg、9.87μg、13.13μg、16.27μg。
利用PY-GCMS分析得到6种微塑料的标准曲线的R2>0.95,则标准曲线线性良好。
表1. 标注曲线数据
| 级别 (μg) | R2 | ||||
PE | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.972 |
PS | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.966 |
PP | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.974 |
PVC | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.973 |
PET | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.964 |
PMMA | 4.4 | 6.47 | 9.87 | 13.13 | 16.27 | 0.961 |
表2. 6种塑料定量和定性特征组分
微塑料 | 定量组分 | 定性组分 |
PMMA | RT3.685-41 69 100 | RT2.660-55 85 42 |
PS | RT6.805-104 103 78 | RT11.470-91 182 65 |
PP | RT3.115-78 77 52 | RT5.795-43 70 55 |
PVC | RT1.805-38 37 36 | RT10.195-128 127 102 |
PE | RT4.930-43 56 70 | RT6.750-41 56 70 |
PET | RT11.035-154 153 152 | RT10.325-105 122 77 |
2.2 液氮研磨参数优化
用天平分别称取1mg各塑料,将6种塑料各1mg加入5mL金属研磨罐,再加入0.15g硅藻土作为分散物质, 放入9.6mm金属研磨球,拧紧盖子。放入液氮中冷冻3min, 取出研磨罐放入研磨仪中,研磨仪参数设置为50Hz 30s ,进行研磨。再放入液氮冷冻3min,然后研磨30s,如此共重复4次。取2mg进样PY-GCMS,用稳定性RSD来考察塑料研磨微颗粒和硅藻土分布均匀性是否满足实验要求。
每次取2mg,重复4次考察稳定性。结果如下表:
表3. 连续4次进样的重现性RSD
| 1次 | 2次 | 3次 | 4次 | RSD |
PMMA | 96404 | 106803 | 98914 | 96239 | 4.98% |
PS | 500426 | 488279 | 530137 | 507101 | 3.47% |
PP | 384981 | 384900 | 400074 | 353624 | 5.13% |
PVC | 6936 | 7012 | 6448 | 7346 | 5.34% |
PE | 46248 | 56349 | 47289 | 45966 | 10.12% |
PET | 21464 | 25999 | 21376 | 21023 | 10.52% |
从表3数据可知,PE和PET的RSD不理想,需要优化液氮研磨参数。则将液氮冷冻时间延长到5min, 研磨震动频率增大为65Hz ,研磨时间增大为40s, 重复次数增大到8次。重新取样研磨后得到数据见表4。
表4. 连续4次进样的重现性RSD
| 1次 | 2次 | 3次 | 4次 | RSD |
PMMA | 84640 | 90750 | 89922 | 87490 | 3.12% |
PS | 454933 | 433890 | 470989 | 461001 | 3.44% |
PP | 340390 | 355909 | 347890 | 325023 | 3.84% |
PVC | 6305 | 6105 | 6003 | 6588 | 4.12% |
PE | 41044 | 44345 | 42990 | 41787 | 3.40% |
PET | 19513 | 19999 | 19433 | 18112 | 4.19% |
图1. 连续4次进样的重现性谱图
由表4数据可知,6个塑料利用此优化后的液氮研磨参数,得到RSD均较理想,符合实验要求。
2.3 加标回收
从市场采购聚苯乙烯PS微颗粒标准品(购自辉质生物),粒径100μm,固含量1% 。取3个相同样品,分别加入1μL,则加入量为10μg 。进行同样前处理和PY-GCMS分析,则加标回收结果如表5,从结果可看出通过PS可得到加标回收率82~85%较理想,方法检测较准确。
表5. PS加标回收率结果
| 加标量μg | 检测值 μg | 回收率 | 平均回收率 |
1 | 10 | 8.5 | 85% |
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2 | 10 | 8.4 | 84% | 83.7% |
3 | 10 | 8.4 | 82% |
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2.4 质量控制
须注意在取样和实验室样品制备过程中尽量减少污染。实验流程只使用玻璃和金属器皿。器皿用水和乙醇清洗三次。在分析过程中,实验人员穿着100%纯棉制成的实验服。实验操作是在通风柜中进行的,以尽量减少空气中微塑料的污染。当样品未处理时,储存在封闭的玻璃单元中。所有溶剂(水、乙醇或氢氧化钾溶液)在PTFE 滤膜(0.45 um来自Sigma-Aldrich)上预过滤。样品管在使用前用热裂解仪的1000℃ 烧30秒,待冷却后放入样品进行测试。
2.5 样品中微塑料含量
在海洋生物中塑料含量与摄食方式、海洋栖息地或营养状况之间有一定关系[1]。微塑料是否从消化系统转移到组织或循环液中,微塑料是否只是短暂的在生物体中停留,则塑料颗粒的摄入、排出或排泄机制目前仍不清楚。样品中主要含有的微塑料是聚乙烯PE和聚丙烯PP,PE通常以最大的比例存在,通常超过总微塑料量的80%。据报道,PE在海洋样品中占主导地位,在海面上的平均比例为42% [2]。
图2. 样品测试结果
3.结论
利用Pyrolysis-GCMS建立分析海洋贝壳类动物体内的6种微塑料含量的方法。通过液氮研磨方式,稀释6种微塑料标准品,并且建立标准曲线R2>0.95 ;考察液氮研磨的均匀性和稳定性,重复进样RSD<5%;通过聚苯乙烯PS 100μm粒径标准品考察加标回收率,范围为82~85%较理想;严格控制系统空白,测试结果准确性更可靠;几个样品的测试结果,为主要含有聚乙烯PE为10~15μg/g,其次含量是聚丙烯PP为0~2μg/g 。则证明此Pyrolysis-GCMS方法可准确有效的分析海洋贝壳类动物体内的6种微塑料含量
参考文献:
[1] Carbery, M., et al., 2018. Trophic transfer of microplastics and mixed contaminants in the marine food web and implications for human health. Environ. Int. 115, 400–409.
[2] Erni-Cassola, G., et al., 2019. Distribution of plastic polymer types in the marine environment; a meta-analysis. J. Hazard. Mater. 369, 691–698.