使用热裂解和 GC/MSD 定量分析环境 样品中的微塑料

摘要：环境样品中微塑料的定量分析正受到越来越多的关注。本应用简报介绍了一种利用 加压液体萃取 (PLE) 配合热裂解气相色谱-质谱 (pyr-GC/MS) 的稳定分析方法，可通 过 Agilent 5977B GC/MSD、Agilent 7890B GC 和 Agilent MassHunter 工作站软件对 环境基质中的低浓度聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 和聚苯乙烯 (PS) 等微塑料进行定量分 析。对实际环境样品的线性、定量限 (LOQs) 和重现性进行了评估。GC/MSD 解决了 过往方法检测限较高的问题，对 PE、PP 和 PS 微塑料的定量可低至 0.005 mg/g。 在分析 0.005–1 mg/g 的校准样品时获得了出色的线性 (R2 > 0.97)。加标样品和环境 样品的相对标准偏差 (RSDs) 均低于 10%，证明了系统出色的重现性和可靠性。

前言：微塑料通常指长度小于 5 mm 的塑料颗 粒和碎片。这些颗粒从多种来源进入环 境，并持续存在数百年或更长时间，从而 增加了生物体摄入这些颗粒并在体内积累 的风险。因此，人们越来越关注土壤、 水和有机物等环境样品中微塑料的定量 分析。 由于微塑料的分子量很高，且在大多数 溶剂中溶解性较差，因此使用传统的 GC/MS 或 LC-串联 MS 方法定量分析环境 样品中的微塑料一直面临着挑战。红外光 谱 (IR) 等光谱技术可用于测量微塑料， 并提供颗粒数量、化学性质以及尺寸和面 积分布等信息。作为对这些技术的补充， 热萃取与 GC/MS 联用可提供对监管和监 测而言至关重要的质量浓度信息[1,2]。尽 管热裂解气相色谱-质谱 (pyr-GC/MS) 方 法展现出了应用前景，但其以往存在检测 限较高、受基质相关的背景干扰以及样品 中微塑料颗粒分布不均匀等问题。 Dierkes 等人提出，可靠地测定环境样品中 的微塑料所需的定量限应低于 1 mg/g[3]。 为了克服分析限制，他们开发了一种利用 加压液体萃取 (PLE) 结合 pyr-GC/MS 的稳 定分析方法，可定量分析土壤和污水污泥 基质等复杂沉积物中低浓度的微塑料[3]。 作者设计的方法可对常见的微塑料，例 如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)) 和聚苯乙 烯 (PS) 进行相对高通量的分析。本应用简报展示了使用 Agilent 5977B GC/MSD、 Agilent 7890B GC 和 Agilent MassHunter 工作站软件执行该方法的适用性。我们 还特别评估了 GC/MSD 的线性、定量限 (LOQs)、重现性以及对实际环境样品中 PE、PP 和 PS 的检测和定量性能。除这 类丰度较高的微塑料之外，这项技术还可 以分析其他塑料类型，例如尼龙聚合物、 聚氨酯 (PUR)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA)、聚氯乙 烯 (PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS) 和碳氟聚合物。

实验部分： 标样和样品前处理 由于 PE 和 PP 在大多数溶剂中的溶解性 较差，因此几乎无法通过稀释储备溶液的 方法来制备校准溶液。此外，直接称量聚 合物也不适用，因为称量极少量标准品 配制低浓度校准样品时，容易产生称量 误差。所以，我们使用惰性基质（煅烧 海砂）连续稀释储备混合物来制备校准 样品。将 PE、PS（PSS 聚合物）和 PP (Sigma-Aldrich) 在低温研磨机中研磨，然 后各取 250 mg 与煅烧海砂混合，以制得 10 g 储备混合物。然后将混合物在行星 式研磨机中均质化 20 min。将 1–2 g 储 备混合物与砂子混合以进行连续稀释，获 得 0.005–10 mg/g 范围内的各个聚合物 校准浓度。在每个稀释步骤后将混合物均 质化。进行 PLE 时，取 1 g 样品放入 10 mL 不 锈钢萃取室中，并使用溶剂萃取仪器完 成萃取。使用甲醇进行预萃取，以减 少基质效应。使用四氢呋喃在 185 °C 和 100 bar 下萃取微塑料。将提取物收 集至含 200 mg 煅烧硅胶的 60 mL 样品 瓶中。萃取完成后，加入 10 μL 聚苯乙 烯-d5（270 μg/mL，溶于二氯甲烷，购自 Polymer Source）作为内标。然后将溶剂 蒸发，并使用硅胶捕获沉淀的聚合物。用 二氯甲烷冲洗粘附在样品瓶上的微塑料， 至少三次。然后将硅胶均质化 5 min。 Dierkes 等人发表的论文中提供了有关标 样制备和样品前处理步骤的详细信息。 校准、方法验证（粒径实验除外）、空白 （仅包含沙子）和环境样品均使用相同步 骤进行萃取。

热裂解 GC/MS分析和仪器 所有样品的热裂解 GC/MS 分析均使用 EGA/PY-3030D Multi-Shot 热裂解仪和 AS-1020E Auto-Shot 进样器 (Frontier Laboratories) 搭配 7890B 气相色谱仪和 5977B GC/MSD。分析每个样品时，称取 20 mg 均质硅胶置于 80 μL 热裂解杯中 (Eco-Cup LF, Frontier Laboratories)，并 在 600 °C 下进行热裂解。 7890B 气相色谱仪配备 30 m × 0.25 mm 内 径，0.25 μm 膜厚的色谱柱，固定相为 (5% 苯基)-甲基聚硅氧烷（例如 HP-5ms UI， 19091S-433UI）。

结果与讨论 线性和定量限 图 1 显示了 0.25 mg/g 混标的提取离子色 谱图。 使用聚苯乙烯-d5 内标计算相对峰面积， 以绘制校准曲线。所有聚合物均得到低 0.005 mg/g 的线性校准曲线 (R2 > 0.97)。 PP 和 PS 的线性响应最高浓度为 1 mg/g。 PE 线性响应的最高浓度为 10 mg/g。 由于塑料在大多数实验室中的使用非常普 遍，因此存在微塑料的假阳性检测问题。 因此，作者将 LOQs 定义为 95% 的空白 样品显示较低信号的浓度。使用 11 个空 白样品的平均相对响应，计算出具有单侧 置信区间 (t(p = 0.95; n – 1 = 10) = 1.812) 的空白 聚合物浓度作为 LOQs。