一种基于透射电镜定量分析纳米塑料颗粒的方法

技术领域

本发明属于纳米塑料颗粒定量分析领域，具体涉及一种基于透射电镜对各类溶液中纳米塑料颗粒的定量分析方法。

背景技术

塑料长期暴露于环境中，在光、氧气、环境微生物等作用下，可生成微塑料颗粒，微塑料颗粒继续分解形成纳米塑料颗粒。现有的检测对象多为微塑料颗粒，对纳米塑料颗粒的定量分析还较少，特别是像50nm这类粒径极小的塑料颗粒。其主要原因在于这类纳米塑料颗粒的粒径太小，不容易检测出来，且在未经处理过的纳米塑料颗粒水溶液中，纳米塑料颗粒分散不均匀，极易出现团聚现象，这样便给其定量分析带来了诸多不便。

当下，纳米塑料颗粒的常规检测技术主要有如下两种：紫外光谱技术、红外光谱技术。而借助该两者对纳米塑料颗粒进行定量分析一般是建立标准方法，如在一定测试条件下检测不同浓度的标准样品，以此得到标准曲线，相关系数越大，则表明该定量分析方法越适用。

其中用紫外光谱检测，由于纳米塑料颗粒不溶于水中，需要找到合适的溶剂来溶解纳米塑料颗粒，而能溶解纳米塑料颗粒的溶剂一般有如下几种：四氢呋喃、甲苯、二甲苯、氯仿、二氯乙烷、丙酮，这些溶剂基本都有毒性且属于危险药品，故紫外光谱检测并非优选方法。除此之外，对于红外光谱技术，不同塑料可产生不同的傅里叶变换红外光谱信号，对比标准样品的红外光谱图可判断和确定样品的塑料成分，但其鉴定分辨率远远达不到纳米级(<1μm)的要求。另外，测定液体红外比固体红外更具难度，且一般要求溶质质量分数大于10％，因此该方法也并非纳米塑料颗粒的定量分析优选方法。

发明内容

发明目的：为了实现各类溶液中纳米塑料颗粒的定量分析，针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于透射电镜定量分析纳米塑料颗粒的方法，本发明将透射电镜技术引入对纳米塑料颗粒的定量分析。通过对其参数的设置，在确保纳米塑料颗粒的有机结构不被破坏的情况下，同时对待测溶液样品进行一定处理，使制备的样品均匀分散在不同量的分散溶剂中，对其稀释不同的倍数，运用能谱技术定性分析以识别和确认纳米塑料颗粒的存在后，借助简单的数学方法实现对溶液中纳米塑料颗粒的定量分析，建立一套可适用的标准分析方法。

技术方案：为了实现上述目的：本发明所述一种基于透射电镜定量分析纳米塑料颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将纳米塑料颗粒样品用用溶剂进行稀释，溶液超声分散，滴在TEM载网支持膜上，待其自然风干，得到各类待检测样品；

(2)通过透射电子显微镜首先对待检测样品进行定性分析以识别和确认其样品内存在纳米塑料颗粒；

(3)通过透射电子显微镜对待检测样品进行定量分析；

(4)对其内存在的纳米塑料颗粒进行统计；

(5)计算纳米塑料颗粒的个数。

其中，步骤(1)中用各类分散溶剂分别稀释不同倍数后的待检测透射样品

其中，所述分散溶剂包括各类极性和非极性溶剂如纯水、乙腈、无水乙醇或者正己烷，所述稀释倍数为1000-5000倍。作为优选，制备用各类分散溶剂分别稀释不同倍数(1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、5000倍)后的待检测透射样品：以无水乙醇稀释2000倍为例，用10μL移液枪取10μL已购买的标准纳米塑料颗粒原液(此处以商用的含聚苯乙烯微球的水溶液为例)滴至装有20mL上述溶液的烧杯中，使其稀释2000倍。在21kW功率下超声分散30～45min，使其在无水乙醇中分散均匀。再用10μL移液枪取10μL分散好的上述溶液滴在支持膜上，使其均匀覆盖在支持膜的正面，待其自然风干。

其中，步骤(1)中TEM载网支持膜包括：无孔支持膜系列或者有孔支持膜系列，所述无孔支持膜系列为碳支持膜，所述有孔支持膜系列为微珊支持膜。

一般所述碳支持膜和微珊支持膜的参数包括：所述目数为50-400目、所述支持膜厚度为3-40nm、支持膜的最外围直径为3191.4μm。

作为优选，所述目数为200目。

其中，步骤(2)中进行定性分析时在EDS模式下，测试电压为120-200kV。

作为优选，步骤(2)中进行定性分析时在EDS模式下，测试电压为200kV。

其中，步骤(3)中进行定量分析在TEM模式下，放大倍数为3-200k倍、测试电压为120-200kV。

作为优选，步骤(3)中进行定量分析在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。

进一步地，步骤(2)中定性分析在元素成分分析EDS模式下，在选定的拍摄倍数25K和样品分布较多的区域下，测试样品具有一定量的C元素，纳米塑料颗粒存在且在分散体系中分布。

进一步地，步骤(3)中定量分析在形貌观察TEM模式下选取含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄透射电镜图像，识别其内均匀分布的纳米塑料颗粒，拍摄的所有透射电镜图像测试条件均全部统一。

其中，步骤(4)中用统计学方法将步骤(3)拍摄的透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数。

其中，步骤(5)中按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积，再计算整个支持膜的实际面积，按面积的倍数等比例放大，可推算出整个载网支持膜上所含有的纳米塑料颗粒的个数，也可进一步推算出原液中所含有的纳米塑料颗粒的个数。

进一步地，步骤(5)中验证标准样品时将统计分析得到的纳米塑料颗粒个数与对应溶液浓度值分别取对数后进行线性拟合验证其相关性。

本发明的实用性和可靠性还可以用建立定量分析的标准方法来加以验证：将含有纳米塑料颗粒的各类原液分别用不同的分散溶剂稀释不同倍数，然后测定以此得到的不同浓度的溶液，并将统计分析得到的纳米塑料颗粒个数与对应溶液浓度值分别取对数后进行线性拟合。具体地，本发明建立定量分析的标准方法并将统计分析得到的纳米塑料颗粒个数与对应溶液浓度值分别取对数后进行线性拟合，拟合的参数和结果包括：标准纳米塑料颗粒原液的质量分数为2.5％，用无水乙醇分别稀释不同倍数(1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、5000倍)后的待检测透射样品质量分数则分别为：0.0025％、0.00167％、0.00125％、0.001％、0.00833％、0.00714％、0.000625％、0.0005％，即2.5×10

经统计与计算，上述不同浓度的待检测透射样品对应求得的聚苯乙烯微球个数值分别为(按稀释倍数从小到大)：1.191×10

作为优选，本发明的具体分析方法，包括以下步骤：

(1)制备用无水乙醇、纯水、乙腈或者正己烷分别稀释不同倍数(1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、5000倍)后的待检测透射样品；

(2)用透射电镜测试待测样品：将上述待测样品置于透射电子显微镜的样品杆上，调试好仪器后，设置其参数包括：进行定性分析时，在EDS模式下，测试电压为200kV。进行定量分析时，在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。在支持膜的中心区域部分，随机选取5个含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄10张透射电镜图像，识别其内均匀分布的纳米塑料颗粒，拍摄的所有透射电镜图像测试条件均全部统一；

(3)用统计学方法统计待测样品中的纳米塑料颗粒：将拍摄的10张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中大约含有的纳米塑料颗粒个数；

(4)用数学方法定量分析待测样品中的纳米塑料颗粒：按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积，再计算整个碳支持膜的实际面积，按面积的倍数等比例放大，可推算出整个载网支持膜上所含有的纳米塑料颗粒的个数，即10μL分散好的乙醇、纯水、乙腈、正己烷溶液中大约所含有的纳米塑料颗粒的个数，也可进一步推算出标准纳米塑料颗粒原液中1mL大约所含有的纳米塑料颗粒的个数。

在某些实施方案中，本发明还包括将不含纳米塑料颗粒的各类溶液空白样品依次经上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)所得的相关图像或参数作为参照对比。

所述各类溶液包括去离子水溶液，无机盐水溶液，乙醇溶液，含有土壤矿物(如铁基蒙脱石)的水溶液，含有溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM，如可溶性腐殖酸)的水溶液等。

本发明借助透射电镜这一工具，首先实现对各类溶液里的纳米塑料颗粒进行定性和定量分析。通过透射电镜的定性观察来确认纳米塑料颗粒，统计计算纳米塑料颗粒的个数以达到定量分析的目的，并借助一些标准方法和应用实例来加以验证该方法的可靠性。

本发明提出了一种纳米塑料颗粒的定量分析方法，该定量分析方法采用统计学方法，借助透射电子显微镜(TEM)，再结合数学统计方法，可对各类溶液里的纳米塑料颗粒进行定量分析。本发明的可靠性可用一套标准分析方法加以验证：将含有纳米塑料颗粒的各类原液分别用不同的分散溶剂稀释不同倍数，然后测定以此得到的不同浓度的分散溶液，并将统计和分析得到的纳米塑料颗粒个数与对应溶液浓度值分别取对数后进行线性拟合。以无水乙醇作为分散溶剂为例，拟合后的标准曲线图如图5所示，拟合后的公式为y＝1.1047x+16.185，两组数据具有较好的相关性，其中R

本发明借助透射电子显微镜这一工具，首先实现对各类溶液里的纳米塑料颗粒进行定性分析，结合TEM的能谱技术，在EDS(X射线能谱分析)模式下，结果显示，在选定的倍数和区域下，样品具有一定量的C元素，这表明纳米塑料颗粒存在且在分散体系中分布。定性分析完成后便可进行统计和定量分析，运用该定量分析方法所统计得到的纳米塑料颗粒个数与标准原值偏差在10倍以内，符合统计学方法的原则。该方法简单，操作便捷，耗时短，具有很好的实用性和可重复性，是一种可对各类溶液里的纳米塑料颗粒进行定量分析的可靠方法。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明对待测的各类溶液样品进行一定的处理后，借助透射电镜对各类溶液样品进行分析。由于其电子束和光束强度较高，可用于纳米材料的分析与鉴别，并且可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2μm的细微结构，可用于粒径小于50nm的塑料颗粒的观察和分析。通过设定和调节参数，在确保纳米塑料颗粒的有机结构不被破坏的前提下，可得到分辨率较高的透射电镜图像。首先运用能谱技术进行定量分析以识别和确认各类溶液中的纳米塑料颗粒，最后再对其进行统计和定量分析

2、本发明可以借助统计学方法和简单的数学方法对纳米塑料颗粒定量分析，在计算出平均每张随机拍摄的透射电镜图像中纳米塑料颗粒的大约个数后，按面积等比例放大方法，即可推算出原待测的各类溶液中所含有的纳米塑料颗粒个数。

3、本发明所述的对各类溶液中纳米塑料颗粒的定量分析方法具有随机和普遍性，所测定的定量结果也具有较高的可信度。运用该定量分析方法所统计的分别稀释不同倍数(1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、5000倍)后溶液中含有的纳米塑料颗粒个数与标准原值偏差在10倍以内，符合统计学方法的原则。建立的标准分析方法可信度高，分别取对数后的浓度与个数具有良好的相关性，R

附图说明

图1为标准纳米塑料颗粒原液的TEM图。

图2为含纳米塑料颗粒的乙醇溶液的TEM图。

图3为含有DOM(可溶性腐殖酸)的纳米塑料颗粒水溶液的的EDS结果图(a)；含有DOM(可溶性腐殖酸)的纳米塑料颗粒水溶液的TEM图(b)。

图4为含有铁基蒙脱石的纳米塑料颗粒水溶液的EDS结果图(a)；含有铁基蒙脱石的纳米塑料颗粒水溶液的TEM图(b)。

图5为纳米塑料颗粒个数与对应溶液浓度值分别取对数后的线性拟合图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对进一步解释说明本发明的技术方案。

实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明中使用的标准纳米塑料颗粒原液为商用的含聚苯乙烯微球的水溶液(无锡瑞格生物科技有限公司，型号：PS01005，批号：PG0191)，其标准原液的规格包括：质量分数为2.5％；粒径为50nm，粒径偏差在15％以内；1mL标准原液中理论上含有3.6×10

透射电子显微镜：日本电子株式会社；型号：JEM-2100F。

碳支持膜：中镜科仪有限公司；编号：BZ10022a；参数：200目，支持膜厚度为7-20nm。

微珊支持膜：中镜科仪有限公；编号：BZ110125a，参数：200目，支持膜厚度为15-30nm，孔径：5μm。

实施例1

已购买的标准纳米塑料颗粒原液的定量分析

用10μL移液枪取10μL已购买的标准纳米塑料颗粒原液滴至装有35mL无水乙醇的烧杯中，使其稀释3500倍。在21kW功率下超声分散30min，使其在无水乙醇中分散均匀。再用10μL移液枪取10μL分散好的乙醇溶液滴在微珊支持膜上，使其均匀覆盖在微珊支持膜的正面，待其自然风干，得到待检测样品。

将上述待测样品置于透射电子显微镜的样品杆上，调试好仪器后，设置其参数包括：

在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。在微珊支持膜的中心区域部分，随机选取5个含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄10张透射电镜图像，将所有拍摄的100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中大约含有的纳米塑料颗粒个数，最终结果为单张照片均含聚苯乙烯微球的个数为25.526个。如图1所示，该透射电镜图中所含有的聚苯乙烯微球为25个，可代表这100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数的平均值。

如图1所示，按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积为S

实施例2

含纳米塑料颗粒的乙醇溶液的定量分析

用10μL移液枪取10μL待检测的该乙醇溶液(含一定未知浓度纳米塑料颗粒)滴至装有10mL纯水的烧杯中，使其稀释1000倍。在21kW功率下超声分散45min，使其在纯水中分散均匀。再用10μL移液枪取10μL分散好的水溶液滴在碳支持膜上，使其均匀覆盖在碳支持膜的正面，待其自然风干，得到待检测样品。

将上述待测样品置于透射电子显微镜的样品杆上，调试好仪器后，设置其参数包括：在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。在碳支持膜的中心区域部分，随机选取5个含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄10张透射电镜图像，将拍摄的100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中大约含有的纳米塑料颗粒个数，最终结果为单张照片均含聚苯乙烯微球的个数为19个。如图2所示，该透射电镜图中所含有的聚苯乙烯微球为19个，可代表这100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数的平均值。

如图2所示，按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积为S

实施例3

含有DOM(可溶性腐殖酸)的自然界水溶液的定性定量分析

用10μL移液枪取10μL待检测的该水溶液滴至装有50mL乙腈的烧杯中，使其稀释5000倍。在21kW功率下超声分散35min，使其在乙腈中分散均匀。再用10μL移液枪取10μL分散好的乙腈溶液滴在微珊支持膜上，使其均匀覆盖在微珊支持膜的正面，待其自然风干，得到待检测样品。将上述待测样品置于透射电子显微镜的样品杆上，调试好仪器后，设置其参数包括：

在EDS模式下，测试电压为200kV，在选定的拍摄倍数25K和样品分布较多的区域下。结果如图3a所示，测试样品具有一定量的C元素，这表明纳米塑料颗粒很可能存在且在分散体系中分布。

在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。从图3b中可以明显看到其中含有纳米塑料颗粒微球，再结合EDS的结果，这进一步证明了该DOM水溶液中含有纳米塑料颗粒。在微珊支持膜的中心区域部分，随机选取5个含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄10张透射电镜图像，将拍摄的100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中大约含有的纳米塑料颗粒个数，最终结果为单张照片均含聚苯乙烯微球的个数为3个。如图3b所示，该透射电镜图中所含有的聚苯乙烯微球为3个，可代表这100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数的平均值。

如图3b所示，按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积为S

实施例4

含有铁基蒙脱石的自然界水溶液的定性定量分析

用10μL移液枪取10μL待检测的水溶液滴至装有20mL正己烷的烧杯中，使其稀释2000倍。在21kW功率下超声分散40min，使其在正己烷中分散均匀。再用10μL移液枪取10μL分散好的正己烷溶液滴在微珊支持膜上，使其均匀覆盖在微珊支持膜的正面，待其自然风干，得到待检测样品。

将上述待测样品置于透射电子显微镜的样品杆上，调试好仪器后，设置其参数包括：

在EDS模式下，测试电压为200kV，在选定的拍摄倍数25K和样品分布较多的区域下。结果如图4a所示，测试样品具有一定量的C和Fe元素，这表明纳米塑料颗粒和铁基蒙脱石存在且在分散体系中分布。

在TEM模式下，放大倍数为30k倍、测试电压为200kV。在微珊支持膜的中心区域部分，随机选取5个含有纳米塑料颗粒且不同的孔，在每个孔中，选取有纳米塑料颗粒较集中的区域间隔均匀且连续地从横向和纵向分别拍摄10张透射电镜图像，将拍摄的100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数进行求和，然后取平均，从而计算出单张透射电镜图像中大约含有的纳米塑料颗粒个数，最终结果为单张照片均含聚苯乙烯微球的个数为40.73个。如图4b所示，该透射电镜图中所含有的聚苯乙烯微球为40个，可代表这100张透射电镜图像中含有的纳米塑料颗粒个数的平均值。

如图4b所示，按透射电镜图中标尺计算单张透射电镜图像的面积为S

由上述四个实施例的过程和结果来看，本发明遵循统计学方法的原则，建立的针对各类含纳米塑料颗粒的溶液的定量分析方法具有较高的可信度。整个分析过程既包含定量分析又包含定性分析，且耗时短，方法简单，操作便捷，的确具有很好的实用性、可重复性，可达到对各类含纳米塑料颗粒的溶液的定量分析要求。综上所述，该方法是一种可对各类溶液里的纳米塑料颗粒进行定量分析的可靠方法。