海洋环境微塑料混合物成分快速定量分析方法研究

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随着塑料的生产与应用,大量微塑料(尺寸为1 um~5 mm)进入海洋。微塑料作为有机污染物及重金属和病原菌等的迁移载体,会通过食物链转移和聚集,干扰生物免疫、代谢、生长和发育等,严重威胁海洋环境安全。因此,微塑料污染状况已成为海洋生态环境保护的重要的监控对象。目前,海洋微塑料检测方法涉及采样、分离和纯化、种类鉴别和定量分析等步骤。其中,种类鉴别和定量分析步骤主要依靠显微镜对微塑料颗粒逐一观测,并结合红外光谱或拉曼光谱,对其混合物成分进行种类鉴别和计数。但是,这些方法对细微颗粒的识别和计数都很困难,仅凭简单计数,不能准确定量,并且完成单个样品检测,工作量大、周期长。因此,快速、准确分析微塑料是海洋环境监测领域中一个亟待解决的重要问题。本论文提出并建立了一种海洋环境微塑料(混合物)成分含量快速定量分析方法。主要研究内容与结果如下:(1)针对常规拉曼光谱仪的激光照射光斑小(直径约100 um以下)以及单次照射采集的光谱不能代表样品整体信息的问题,本文提出了一种大光斑(直径为2 mm)拉曼光谱采集方法。该方法所采集的光谱更能反映微塑料样品组成分布信息,将采集单个样品光谱的总时间从几天(采用显微分子光谱法)降至15 min左右,显著地提高了光谱采集效率。(2)基于小波变换(WT)结合自适应迭代重加权惩罚最小二乘法(air-PLS),建立了一种微塑料拉曼光谱荧光背景消除方法,使连续采集的多张微塑料拉曼光谱的相对标准偏差(RSD)显著降低。聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的拉曼光谱的RSD分别从11.33%、9.01%、1.30%、9.66%、1.57%、8.00%降至1.43%、0.38%、0.30%、0.74%、0.69%和1.11%。处理后的光谱精度可达到微塑料混合物成分定量分析的要求。(3)针对PE、PET、PP、PA、PS和EVA等常见的微塑料种类,制备了包含以上六种塑料成分的微塑料混合物样品及其与鱼、虾、海带、贝类等生物质的混合物来模拟海洋环境微塑料样品。研究发现,不同种类微塑料拉曼光谱的特征峰重叠严重,无法使用单元分析方法建立校准曲线。因此,本文使用多元分析偏最小二乘法(PLS)将光谱强度和微塑料成分含量关联,建立了其校准模型。在微塑料混合物定量模型中校正样品相关系数(Rc)和验证样品相关系数(Rp)在0.95以上,校正标准偏差(SEC)和预测标准偏差(SEP)范围为1~5。在含生物质的微塑料混合物定量模型中Rc和Rp在0.88以上,SEC和SEP值范围为1~8。(4)针对PLS建模方法用于实际微塑料成分含量分析困难的问题,本论文建立了一种微塑料成分含量定量分析的新方法。其中,提出了一种提取光谱成分的方法(MESC)。该方法将待测塑料成分的光谱信号从混合物光谱中提取出来。使用提取的待测塑料成分光谱信号的任何一个特征峰建立校准曲线。基于该方法,分别建立了微塑料混合物中PE、PP、PET、PS、PA和EVA的定量校准曲线。其线性相关系数分别为0.97765、0.99291、0.99184、0.99638、0.99761、0.96259。使用验证样品进行预测,每种微塑料的含量预测值与真实值一致,最大误差小于2.72 wt%。基于MESC进一步研究了模拟的海洋环境微塑料样品。其线性相关系数分别为0.94018、0.95181、0.96109、0.99244、0.99858和0.97438。预测最大误差小于3.99wt%。该方法将单个样品的分析时间降至15分钟。结果表明,使用大光斑激光拉曼光谱结合微塑料成分含量定量分析的新方法,成功实现了海洋微塑料成分含量的快速准确测定,对于海洋微塑料污染监控具有重要实际意义。
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