质谱法如何在微塑料污染研究中使用？

质谱法是检测和分析环境中微塑料污染的宝贵工具，它对生态系统和人类健康构成严重威胁。本文探讨了微塑料污染研究中使用的各种质谱技术、最近的进展、挑战和未来的方向。

微塑料的环境危害：对生态系统和人类健康的影响

塑料在各行各业都有广泛的应用，但由于塑料垃圾的积累，特别是微塑料的积累，已经成为一个主要的环境问题。

微塑料（MPs）是小于5毫米的小塑料颗粒，由于它们能够吸附其他污染物，包括疏水性污染物、重金属和有机化合物，因此获得了极大的关注。

微塑料构成了一种持续的威胁，因为它们不容易降解，并且会通过释放有害的塑料添加剂和形成二次污染物来危害生态系统。此外，它们的大表面积使它们成为其他污染物的有效载体，进一步破坏生态系统。

个人每年可能通过吸入和摄取接触多达121,000个微塑料，导致不良健康影响，如慢性炎症、代谢紊乱、神经毒性和癌症风险增加。

分析微塑料对于追踪其来源和评估其在环境中的清除至关重要。了解微塑料污染的规模和开发有效的分析程序是解决这一问题的重要步骤。

当前用于微塑料分析的分析技术及其局限性

显微镜通常用于识别微塑料，但在灵敏度和准确性方面有局限性，特别是对于较小的颗粒。它通常适用于大于1毫米的微塑料，但可能会遗漏更小的颗粒或将样品中的其他元素误认为是微塑料。

拉曼和红外光谱等光谱技术可以根据颗粒特征评估微塑料污染，但在识别聚合物成分和添加剂以及分析大量颗粒方面存在局限性。

没有任何一种技术能提供完整的解决方案，这突出表明需要在更敏感和准确的微塑料分析技术方面取得进展。

质谱法如何在微塑料污染研究中使用？

质谱法是微塑料污染研究中的一个重要工具，它提供了关于聚合物结构、分子量和组成的重要信息。

从环境中收集样品，并使用热分解或热解技术进行制备，以释放微塑料颗粒进行分析。

然后将释放的颗粒引入质谱仪，如热提取解吸气相色谱-质谱（TED-GC-MS）、热解气相色谱-质谱（Pyr-GC-MS）和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS），可以检测出微塑料的独特化学指纹。

Pyr-GC-MS和TED-GC-MS涉及微塑料的热降解，产生热降解产物，然后用气相色谱-质谱法进行捕获和分析。这些方法可以识别微塑料聚合物的类型，但可能不考虑物理特性，并且由于不同聚合物的热解产物相似，可能导致误判。

MALDI-TOF-MS是基于离子碎片的质荷比和飞行时间之间的比例关系。它可以识别微塑料中的主要聚合物，也可以通过成像技术分析其物理特性。然而，它对不同类型的微塑料需要不同的电离试剂，在微塑料检测中没有广泛使用。

最近的研究和发展

利用热萃取-解吸法和气相色谱-质谱分析法高效准确地识别微塑料

发表在《Talanta》杂志上的一项研究提出了一种利用热萃取-解吸（TED）结合气相色谱/质谱（GC/MS）分析来识别复杂样品中的微塑料的新方法。

研究人员没有使用样品的一小部分，而是用从水中收集的固体热解整个过滤器，避免了样品处理和潜在的损失。这使得高强度的信号得以实现，并消除了过滤器表面的不均匀性。

这种方法对于识别复杂基质中的微塑料来说是高效、准确和经济的。它对微塑料污染研究有重大意义，因为它可以帮助研究人员更准确地了解微塑料对环境的程度和影响。

船舶的涂料和油漆被确认为海洋微塑料的主要来源

奥尔登堡大学的海洋环境化学和生物学研究所的研究人员研究了北海的微塑料分布。研究结果发表在《环境科学与技术》上。

研究人员使用热解-气相色谱-质谱/热化学分析（Py-GC/MS）来分析水样中微塑料颗粒的化学成分。研究人员在600摄氏度下分解塑料分子，并根据它们的质量和化学性质进行分离。他们发现，水样中的大多数塑料颗粒来自于海洋涂料的粘合剂。

这项研究表明，船舶对公海中的微塑料污染贡献很大，表明需要解决船舶上的涂料和油漆的使用问题，以减少它们对海洋生态系统的影响。

使用热重仪结合质谱法检测和量化农业地区的聚苯乙烯微塑料

在发表在《总体环境科学》上的一项研究中，研究人员开发了一种可靠的方法，使用热重法结合质谱法（TGA-MS）对空气中的聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）进行定量。

研究人员从一个农业区收集了空气中的样本，并使用TGA-MS对其进行分析，而无需进行大量处理。他们发现，农业区的PM10 PS-MPs的平均浓度为35.97纳克/立方米，主要来自农业活动。

这项研究证明了TGA-MS在不同环境中以最少的样品处理来表征微塑料的潜力。然而，研究结果表明，需要进一步研究大气中的PS-MPs对人类健康造成的风险，并制定空气质量政策和监管手段。

挑战和未来的前景

在环境和健康研究中，使用质谱技术分析微塑料已变得越来越重要。然而，有几个挑战需要解决。

首先，识别和量化纳米级塑料仍然很困难。其次，测量微塑料的低质量对重量法是一个挑战。最后，与其他物质混合的微塑料会使分析复杂化。

尽管有这些挑战，基于质谱的技术为研究各种环境中的微塑料和评估它们与生物体的潜在相互作用提供了一种有前途的方法。特别是，基于多模态质谱的技术与成像系统相结合，可以提供关于微塑料的尺寸、形状和老化的详细信息，并识别化学添加剂和其他污染物。

参考资料

Sorolla-Rosario, D., Llorca-Porcel, J., Pérez-Martínez, M., Lozano-Castelló, D., & Bueno-López, A. (2023). Microplastics' analysis in water: Easy handling of samples by a new Thermal Extraction Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TED-GC/MS) methodology. Talanta. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123829

Dibke, C., Fischer, M., & Scholz-Böttcher, B. M. (2021). Microplastic mass concentrations and distribution in German bight waters by pyrolysis–gas chromatography–mass spectrometry/thermochemolysis reveal potential impact of marine coatings: do ships leave skid marks? Environmental Science & Technology. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c04522

Peñalver, R., Costa-Gómez, I., Arroyo-Manzanares, N., Moreno, J. M., López-García, I., Moreno-Grau, S., & Córdoba, M. H. (2021). Assessing the level of airborne polystyrene microplastics using thermogravimetry-mass spectrometry: Results for an agricultural area. Science of The Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147656

Wu, P., Wu, X., Huang, Q., Yu, Q., Jin, H., & Zhu, M. (2023). Mass spectrometry-based multimodal approaches for the identification and quantification analysis of microplastics in the food matrix. Frontiers in Nutrition. https://doi.org/10.3389/fnut.2023.1163823

Huang, Z., Hu, B., & Wang, H. (2023). Analytical methods for microplastics in the environment: a review. Environmental Chemistry Letters. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01525-7

Chun, S., Muthu, M., & Gopal, J. (2022). Mass Spectrometry as an Analytical Tool for Detection of Microplastics in the Environment. Chemosensors. https://doi.org/10.3390/chemosensors10120530

Velimirovic, M., Tirez, K., Verstraelen, S., Frijns, E., Remy, S., Koppen, G., ... & Vanhaecke, F. (2021). Mass spectrometry as a powerful analytical tool for the characterization of indoor airborne microplastics and nanoplastics. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. https://doi.org/10.1039/D1JA00036E

作者：Owais Ali