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Pyrolysis-GCMS定量分析贝壳类动物中微塑料

更新时间:2024-05-24       点击次数:303

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,微塑料进入人体内,则对贝壳类动物体内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拉曼光谱分析对小于20 μm的微塑料较难使用两种仪器分析。在这种情况下,热-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、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 6200CDS 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0.45 μm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

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)。

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 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 6667μg/g标准物质。 

分别取硅藻土分散的微塑料标准物质0.66mg0.97mg1.48mg1.97mg2.44mg,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4.4μg6.47μg9.87μg13.13μg16.27μg 

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。

 

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

 

 

 

 

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。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:

3.  连续4次进样的重现性RSD

 

1

2

3

4

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,PEPETRSD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

4.  连续4次进样的重现性RSD

 

1

2

3

4

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%

 

Pyrolysis-GCMS定量分析贝壳类动物中微塑料 

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。

 

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%

 

2

10

8.4

84%

83.7%

3

10

8.4

82%

 

 

2.4 质量控制

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)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 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,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聚丙烯PPPE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]

Pyrolysis-GCMS定量分析贝壳类动物中微塑料 

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PE10~15μg/g,其次含量是聚丙烯PP0~2μg/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, 400409.

[2] Erni-Cassola, G., et al., 2019. Distribution of plastic polymer types in the marine environment; a meta-analysis. J. Hazard. Mater. 369, 691698.