一种定量测定混合体系中微塑料和有机质含量的光谱学方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，涉及检测技术，尤其是一种定量测定混合体系中微塑料和有机质含量的光谱学方法。

背景技术

目前，塑料制品被用于各行各业，在给社会带来便利的同时，也因其回收率低和管理失误等引发了一系列的塑料污染问题。大量的塑料被不断排放到环境中，在风化、紫外线辐射和生物降解等作用下逐渐分解破碎，形成微塑料(<5mm)和微塑料(1-100nm)。早期对于微(纳)塑料的研究主要集中于海洋和淡水环境，统计数据显示海洋中有超过5万亿个塑料碎片(重约25万吨)；每年可能有超过40万吨微塑料进入陆地环境。

微(纳)塑料粒径小，移动性强，容易被食物链底部生物摄取，造成生物累积和生物放大现象，导致细胞膜结构变化、代谢和循环紊乱；此外，微(纳)塑料疏水性较强，是有机污染物和重金属的潜在吸附剂，进一步加重了其污染能力。

有机质和含铁矿物大量存在于土壤中。天然有机质(NOM)一般分为腐殖质(组成结构不固定的大分子有机物)和非腐殖质(结构组成明确，如蛋白质、碳水化合物、小分子有机酸等)；其中，胡敏酸(HA)是一类分子量中等、不溶于酸(pH<2)只溶于碱的腐殖质，富里酸(FA)是分子量较小、既溶于酸也溶于碱的腐殖质。已有研究指出HA可通过疏水作用及π-π键与微塑料发生相互作用，同时微塑料对HA的吸附量高于FA。针铁矿是土壤中一种常见的铁氧化物，因其具有较高的稳定性、较大的比表面积，是土壤中污染物和有机质等的重要吸附剂。有研究指出针铁矿表面的羟基官能团有利于其对微塑料的吸附。对于NOM，其可通过静电作用、疏水作用、配体交换作用、络合作用、氢键作用等吸附在针铁矿表面。由于NOM的化学异质性和多分散性，在两者发生相互作用时，中间分子量的HA和较大分子量的FA会优先被选择性吸附到针铁矿表面。

目前对于室内实验研究中商品微(纳)米塑料的检测，常用荧光分光光度法和传统的紫外可见分光光度(UV-Vis)法。第一种方法限定微(纳)米塑料须带有荧光性，而真实环境中不是所有的微(纳)米塑料都带有荧光性。因此，检测不具荧光性的微(纳)米塑料首选UV-Vis法。因商品微(纳)米塑料和NOM尺寸相近、质量密度相似并且同时存在重叠的紫外-可见吸收波长范围，故用传统的UV-Vis法检测微(纳)米塑料-NOM混合体系中微(纳)米塑料的浓度往往会受到NOM的干扰，无法准确测定两者各自的浓度。由于NOM和微(纳)米塑料往往同时存在，因此需要建立一种能够测定微(纳)米塑料-NOM混合体系中两者浓度的UV-Vis法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种操作简单、成本低廉的能够进行定量的测定混合体系中微塑料和有机质含量的光谱学方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种定量测定混合体系中微塑料和有机质含量的光谱学方法，该方法包括：建立初始NOM和PSMPs体系或建立针铁矿吸附后NOM-F和PSMPs体系，所述的初始NOM和PSMPs体系包括HA或FA和PSMPs二元体系以及HA、FA和PSMPs三元体系；所述的针铁矿吸附后NOM-F和PSMPs体系包括HA-F或FA-F和PSMPs二元体系以及HA-F、FA-F和PSMPs三元体系。

而且，所述的HA或FA和PSMPs二元体系建立方法具体包括：

由于NOM与PSMPs之间存在疏水作用和π-π键等，因此不能将NOM和PSMPs光谱进行简单叠加来获得混合物的光谱，因此引入两个参数β和γ校正两者相互作用对混合物光谱的影响，公式如下：

其中，TS

进一步将公式(1)简写如下：

其中，A＝αβ，B＝(1-α)β。假设β和γ在整个波长范围为恒定数值，即两者的相互作用没有改变各自光谱的形状，A和B的值则可通过在选定波长范围内使TS

C

而且，所述的HA、FA和PSMPs三元体系建立方法具体包括：

类比于二元体系，HA、FA和PSMPs的三元体系混合物和纯物质的光谱关系如下：

TS

公式中A、B和C的值可通过使在选定波长范围内TS

C

C

而且，所述的HA-F或FA-F和PSMPs二元体系建立方法步骤具体包括：

UV-Vis法基于体系内物质间的特定紫外-可见吸收光谱的差异性，故理论上可通过NOM-F和PSMPs的特定紫外-可见吸收光谱来建立定量测定混合体系中NOM-F和PSMPs的UV-Vis法。但在铁氧化物、NOM和PSMPs构成的三相体系中，NOM-F无法从溶液中分离进而得知其光谱，因此，NOM-F和PSMPs的二元体系中依然利用公式(2)-(4)计算两者的浓度。

而且，所述的HA-F、FA-F和PSMPs三元体系建立方法步骤具体包括：

同二元体系类似，三元体系中NOM-F和PSMPs的浓度由公式(5)-(8)获得。

本发明的优点和积极效果是：

本发明申请提供一种定量测定混合体系中微塑料和有机质含量的光谱学方法，根据不同类型有机质和微塑料的紫外-可见光吸收光谱存在差异性，利用光谱法区分进而定量各自含量，该方法操作简便，测试成本低，尤其对于难以通过离心或者过滤等方法分离的小粒径微塑料和有机质体系具有较好的定量测量效果。

附图说明

图1为本发明中初始NOM和PSMPs的特定-紫外可见吸收光谱图；

图2为本发明选择性吸附后HA与初始HA的特定紫外-可见吸收谱图及一阶导数谱图初始；

图3为本发明同一混合体系三个重复样品的特定-紫外可见吸收谱图；

图4为本发明实施例HA及PSMPs-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图5为本发明实施例HA及PSMPs-400的231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图6为本发明实施例HA及PSMPs-COOH-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图7为本发明实施例FA及PSMPs-200的231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图8为本发明实施例FA及PSMPs-COOH-200的231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图9为本发明实施例初始HA、FA与PSMPs-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图10为本发明实施例初始HA、FA与PSMPs-COOH-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图11为本发明实施例HA-F350及PSMPs-COOH-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图12为本发明实施例HA-F350及PSMPs-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图13为本发明实施例FA-F250及PSMPs-COOH-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图14为本发明实施例FA-F250及PSMPs-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果；

图15为本发明实施例HA-F350、FA-F250与PSMPs-COOH-200在231-600nm波长范围下的计算回收浓度与其添加浓度的对比结果。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

1紫外-可见光谱指纹法的创建

紫外-可见光谱法是一种传统且简单的分析方法，它是通过计算被测物质在紫外-可见光(200-800nm)波长范围内的吸收能量来获得物质信息的方法。目前室内实验研究中常用的商品微(纳)米塑料类型为聚苯乙烯(PS)，由于不同类型NOM和聚苯乙烯微塑料(PSMPs)的紫外-可见光吸收光谱曲线存在差异性(图1)，因此可以据此建立定量测定NOM和PSMPs的光谱学方法。

1.1初始NOM和PSMPs体系

1.1.1 HA或FA和PSMPs二元体系

由于NOM与PSMPs之间存在疏水作用和π-π键等，因此不能将NOM和PSMPs光谱进行简单叠加来获得混合物的光谱，因此引入两个参数β和γ校正两者相互作用对混合物光谱的影响，公式如下：

其中，TS

进一步将公式(1)简写如下：

其中，A＝αβ，B(1-α)β。假设β和γ在整个波长范围为恒定数值，即两者的相互作用没有改变各自光谱的形状，A和B的值则可通过在选定波长范围内使TS

C

1.1.2 HA、FA和PSMPs三元体系

类比于二元体系，HA、FA和PSMPs的三元体系混合物和纯物质的光谱关系如下：

TS

公式中A、B和C的值可通过使在选定波长范围内TS

C

C

1.2针铁矿吸附后NOM-F和PSMPs体系

初始NOM和选择性吸附后NOM(NOM-F)的特定紫外吸收光谱具有差异性；相比于初始NOM，NOM-F的特定吸收值降低，但两者的形状相似(图2)。

1.2.1 HA-F或FA-F和PSMPs二元体系

UV-Vis法基于体系内物质间的特定紫外-可见吸收光谱的差异性，故理论上可通过NOM-F和PSMPs的特定紫外-可见吸收光谱来建立定量测定混合体系中NOM-F和PSMPs的UV-Vis法。但在铁氧化物、NOM和PSMPs构成的三相体系中，NOM-F无法从溶液中分离进而得知其光谱，因此，NOM-F和PSMPs的二元体系中依然利用公式(2)-(4)计算两者的浓度。

1.2.2 HA-F、FA-F和PSMPs三元体系

同二元体系类似，三元体系中NOM-F和PSMPs的浓度由公式(5)-(8)获得。

实验及测定方法如下：

1实验材料

天然有机质以HA和FA作为代表，根据国际腐殖酸协会(International HumicSubstances Society)推荐的方法从土壤中进行提取和纯化HA和FA；选择性吸附后NOM的制备流程是：将3g/L的针铁矿与350mg/L HA以及250mg/L FA进行混合，并将混合好的悬浮液在pH＝6、IS＝0.001mol/L的条件下振荡2天(180rpm，25℃)。然后在10000rpm下离心30min，取上清液过0.45μm滤膜以去除针铁矿。滤液即为选择性吸附后HA或FA(HA-F350或FA-F250)，测定其TOC待用。每个样品做三个重复。HA和FA的TOC含量分别是46.25％和40.04％。

微塑料(PSMPs)购自北京威莱博生物技术有限公司(Welab Biotechnology Co)，初始浓度为5％(w/v)，包括200nm和400nm的聚苯乙烯微塑料(PSMPs-200和PSMPs-400)和200nm羧基修饰的聚苯乙烯微塑料(PSMPs-COOH-200)；PSMPs-200、PSMPs-400和PSMPs-COOH-200的TOC含量分别是65.29％、65％和73.24％。

针铁矿按如下方法制备：(1)准确配制5L 0.5mol/L的Fe(NO

2紫外可见光谱的测定

用紫外分光光度计(UV-2700，Shimadzu)扫描上述样品在200-600nm波长间的吸光度值，分辨率为1nm。扫描前，用0.01mol/L磷酸盐缓冲液将每个样品的pH调至约为6.9，以消除pH对吸光度测定带来的影响。此外，吸光度较高的样品需稀释至吸光度<1后测定。用紫外-可见吸收光谱除以TOC值，得到样品的特定紫外-可见吸收光谱。

由于初始NOM和PSMPs的特定-紫外可见吸收值在200-230nm波长范围内差异较大，且两者混合物在该波长范围内稳定性和重复性也较差，而在231-600nm波长范围内的稳定性和重复性较好(见图3)。因此，选择200-600nm、200-230nm以及231-600nm三个波长范围运用公式(2)-(4)计算混合体系中初始NOM和PSMP

表1不同光谱范围下混合体系中NOM和PSMPs的浓度回收率

3初始NOM和PSMPs体系

3.1 HA或FA和PSMPs二元体系

将已知浓度的NOM(HA或FA)与微塑料(PSMPs-COOH-200、PSMPs-200或PSMPs-400)溶液按照质量比为1:9、1:3、1:1、3:1、9:1的比例进行混合，使其总浓度达到25、50、100、150mg/L。将混合好的溶液在pH＝6、IS＝0.001mol/L的条件下振荡7天(180rpm，25℃)，并用总有机碳分析仪(MultiN/C 3100,AJ,Germany)测定NOM、PSMPs以及混合溶液的TOC。每个样品做三个重复，只含有NOM或PSMPs的样品作为对照。

对于HA和PSMPs-200体系，若以相对误差≤16％为标准(即浓度回收率为100±16％)，当HA的检测下限为20.8mgC·L

3.2 HA、FA和PSMPs三元体系

将已知浓度的HA、FA和微塑料(PSMPs-200或PSMPs-COOH-200)按照质量比(HA+FA:PSMPS)为1:9、1:3、1:1、3:1、9:1的比例进行混合，使其总浓度达到100和150mg/L，其中HA和FA的质量比根据采样土壤的性质恒定为1.5:1。将混合好的溶液在pH＝6、IS＝0.001mol/L的条件下振荡7天(180rpm，25℃)，并用总有机碳分析仪(MultiN/C 3100,AJ,Germany)测定HA、FA、PSMPs以及混合溶液的TOC。每个样品做三个重复，只含有HA、FA以及PSMPs的样品作为对照。

在HA、FA和PSMPs-200的三元体系中，若以相对误差≤16％为标准，则HA、FA和PSMPs-200的检测下限为20.8mgC·L

4针铁矿选择性吸附后NOM-F和PSMPs体系

4.1 HA-F或FA-F和PSMPs二元体系

将HA-F350与微塑料(PSMPs-COOH-200或PSMPs-200)在100mg L

在HA-F350和PSMPs-COOH-200二元体系中，若以相对误差≤16％为标准，则HA-F350以及PSMPs-COOH-200的检测下限分别为23.1mgC·L

4.2 HA-F、FA-F和PSMPs三元体系

将HA-F350、FA-F250和PSMPs-COOH-200按照质量比(HA-F350+FA-F250:PS-COOH-200)为1:9、1:3、1:1、3:1、9:1的比例进行混合，使其总浓度达到150mg/L，其中HA-F350和FA-F250的质量比为1.5:1。将混合好的溶液在pH＝6、IS＝0.001mol/L的条件下振荡7天(180rpm，25℃)并测定其TOC。每个样品做三个重复，只含有HA-F350、FA-F250以及PSMPs-COOH-200的样品作为对照。

相对误差≤16％时，HA-F350、FA-F250和PSMPs-COOH-200构成的三元体系中三者的检测下限分别为31.2mgC·L

5结论

紫外-可见光吸收光谱法能较好地应用于NOM和PSMPs共存体系的浓度测定，且该方法的准确性依赖于NOM的种类及其在针铁矿上的选择性吸附程度、以及PSMPs的粒径和表面官能团，且更适用于二元体系中两者浓度的测定。在本研究设定的实验条件下，若以相对误差≤16％为标准，初始NOM和PSMPs构成的二元体系中PSMPs的检测下限为1.7-4.1mgC·L

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。