水體微塑料污染的高效檢測與監控方法研究

錢佳麗，方 瑾，鄭巨浩

（浙江瑞啟檢測技術有限公司，浙江 杭州 310000）

引言

水體微塑料污染已經成為全球環境問題的重要組成部分。微塑料顆粒不僅對水生生物造成潛在的生態風險，還可能通過食物鏈進入人體，從而對人類健康產生負面影響。因此，開發高效的水體微塑料污染檢測與監控方法對于環境保護和公眾健康至關重要。

目前已經有一些檢測方法可以用于尋找和計量微塑料顆粒，但這些方法存在繁瑣、耗時、低靈敏度等問題。因此，我們需要在檢測方法上開展更深入的研究，以提高水體微塑料污染的檢測效率和準確性。

1 檢測方法綜述

1.1 傳統檢測方法

1.1.1 光學顯微鏡法

光學顯微鏡法是一種常用的微塑料檢測方法，該方法通過提取水樣中的微塑料顆粒，借助顯微鏡進行觀察和計數，可以直接確定樣品中微塑料是否存在。這種方法適用于較大顆粒的檢測，能夠提供微塑料形態和大小等信息。然而，由于微塑料顆粒在水體中分散性較強，很容易與其他顆?；祀s在一起，使其檢測和鑒定變得更加困難。

1.1.2 傅里葉變換紅外光譜法

傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）是一種基于光譜技術的微塑料檢測方法，該方法通過對微塑料樣品進行紅外光譜分析，可以確定其化學成分和結構特征。這種方法具有非破壞性、快速和準確的優點，可以對微塑料進行定性鑒定。然而，由于微塑料在水體中的濃度較低，傳統FTIR技術通常無法直接應用于水樣中微塑料的檢測。因此，需要對樣品進行預處理和富集以提高檢測靈敏度。

1.1.3 水中顆粒采樣與計數法

水中顆粒采樣與計數法是一種常用的微塑料檢測方法，通過使用過濾器或超聲波處理等技術，將水樣中的固體顆粒聚集并捕獲，然后使用顯微鏡或計數器進行顆粒計數，從而間接確定微塑料的存在及濃度。這種方法適用于不同類型和尺寸范圍的微塑料檢測，具有較高的靈敏度和準確性。但該方法的操作過程較為繁瑣，需要綜合考慮顆粒捕集效率、樣品處理過程中的污染問題等因素[1]。

1.2 新興檢測方法

1.2.1 基于表面增強拉曼光譜的檢測法

基于表面增強拉曼光譜（SERS）的檢測法是一種新興的微塑料檢測方法。該方法利用納米材料表面的局部電場增強效應，通過將微塑料樣品與具有特定表面增強效應的納米顆粒結合，在激光照射下對微塑料進行拉曼光譜分析，實現對微塑料高靈敏度、非破壞性和快速的檢測。然而，目前該方法仍面臨著樣品預處理和納米材料制備等技術難題，所以需要技術人員開展進一步優化和改進。

1.2.2 基于熒光標記的檢測法

基于熒光標記的檢測法是一種利用熒光染料與微塑料相互作用的檢測方法，通過將熒光染料標記在微塑料表面或與微塑料結合，使其發出特定波長的熒光信號，通過檢測和分析熒光信號的強度和光譜特征，可以確定樣品中微塑料的存在與濃度。這種方法具有高靈敏度、快速和可視化等優點，適用于不同類型微塑料的檢測。然而，熒光標記的選擇和合適的染料設計仍需要進一步研究和優化。

1.2.3 基于質譜的檢測法

基于質譜的檢測法是一種利用質譜儀對微塑料進行鑒定和定量分析的方法，通過將微塑料樣品進行溶解、轉化為氣態或離子化，再使用質譜儀對其進行分析，可以確定微塑料的化學成分和結構特征。這種方法具有高精度和高分辨率的優點，能夠對微塑料進行準確的定性和定量分析。然而，該方法在樣品前處理和質譜分析過程中仍面臨一些挑戰，例如微塑料的富集和純化、碎片的復雜組成等問題。

2 高效檢測與監控方法的研究與開發

2.1 新型檢測技術的優勢和應用

新型檢測技術在水體微塑料檢測中具有顯著的優勢和廣泛的應用前景，可以高效、快速地識別和計數微塑料顆粒，無需對樣品進行處理或損壞，從而為大規模監測提供可靠的數據支持。這些技術還具備高靈敏度，能夠高分辨率成像和計數微塑料顆粒，并獲取關鍵信息，深入了解其來源、遷移和生物效應等問題，可以為制定有效的防治措施提供科學依據。此外，這些技術不僅適用于水體微塑料的監測，還可以應用于其他環境介質中，并能夠研究微塑料的分布、轉運機制以及對生態系統的影響。這些應用前景的拓展將為微塑料污染的治理提供更多思路和方法。

2.2 檢測方法的改進與優化

2.2.1 檢測靈敏度的提高

為了提高水體微塑料檢測的靈敏度，研究人員改進了樣品前處理方法，如酶解和超聲處理，以提高微塑料的提取效率；利用離子交換樹脂、吸附劑等材料富集微塑料顆粒，提高了檢測靈敏度。先進的儀器設備如電子顯微鏡（SEM和TEM）可以直接對微塑料進行觀察和計數，從而提高了檢測的精確性。拉曼光譜、質譜等技術用于微塑料的定性和定量分析，提高了檢測的靈敏度。結合數學模型和統計方法，如線性回歸、主成分分析、支持向量機，對檢測數據進行處理，減少了誤差，提高了檢測的靈敏度[2]。

2.2.2 檢測速度的增加

為了提高水體微塑料污染檢測的速度，研究人員采取了以下方法：簡化樣品前的處理流程，如快速離心和液液相分離；使用自動化儀器設備，如高通量自動化篩網系統和先進的顯微鏡設備；應用數據處理和人工智能技術，如神經網絡算法和基于深度學習的模型，以快速分析大量樣品的圖像和光譜數據。這些方法可以有效縮短檢測時間、實現快速準確的微塑料顆粒篩查和定量分析。

2.2.3 檢測成本的降低

為了降低水體微塑料污染檢測的成本，研究人員采取了以下方法：尋找廉價且易獲得的材料和試劑，如自制的離子交換樹脂或吸附劑；選擇性地使用只對微塑料顆粒具有高親和力的試劑；優化實驗流程和儀器設備的使用，減少反應步驟和材料使用量；合理利用儀器設備，避免不必要的能源和耗材消耗；建立數據庫并利用云計算平臺存儲和處理數據，降低實驗室設備和維護的成本；利用大數據分析方法提取關鍵指標和變量，并優化檢測流程，進一步降低檢測成本。通過采取這些措施，可以有效地降低水體微塑料污染檢測的成本，使其更廣泛地應用于監測和評估中。

2.3 方法驗證與可行性研究

2.3.1 樣品收集和前處理技術的優化

在水體微塑料污染檢測過程中，樣品的收集和前處理是非常關鍵的環節。為了保證檢測結果的準確性和可靠性，研究人員應著重優化樣品的收集和前處理技術。首先，對于樣品收集，研究者們應選擇合適的采樣點和采樣策略，以獲取有代表性的水體樣品。例如，根據水體流動特性和微塑料的分布規律，選擇合適的采樣時間和采樣地點，確保能夠采集到具有較高微塑料含量的樣品。此外，還要注意避免外部污染和樣品的交叉污染，應采用嚴格的樣品處理和保存方法。其次，在樣品前處理過程中，研究者們致力于提高提取效率和減少誤差。例如，通過優化酶解法、超聲處理或離子交換樹脂等方法，可以有效地提取水樣中的微塑料顆粒。同時，還要注意消除干擾物質的影響，如有機物質、顆粒物等。為了確保前處理步驟的可重復性，研究者們進行了反復的實驗和優化，并對比了不同方法的效果。

2.3.2 方法準確性和重復性的評估

在水體微塑料污染檢測方法的研究中，準確性和重復性是評估方法可行性的重要指標。為了評估方法的準確性，研究者們進行了多次對比實驗和驗證實驗，并與已建立的參考方法進行比較，其中準確性主要是通過與已知濃度的標準溶液進行對比來評估。研究者們對標準溶液中已知濃度的微塑料顆粒進行提取和檢測，然后與標準溶液的真實濃度進行比較，計算出準確率和誤差。通過這樣的驗證，可以評估所研究方法的準確性。重復性則是通過進行重復實驗進行評估。研究者們選擇了同一樣品，采用同一檢測方法，并進行多次實驗。通過計算結果的方差和相關統計指標，可以評估方法的重復性和穩定性。此外，還可以進行回收實驗，即在同一樣品中添加不同濃度的微塑料顆粒，以驗證方法在不同濃度下的表現。

2.3.3 基準方法的建立和比對

為了評估所研究的檢測方法的可行性和可靠性，研究者們通常還會與已經建立的基準方法進行比對?；鶞史椒ㄊ墙涍^了廣泛應用和驗證的方法，因而具有較高的可信度和穩定性。在與基準方法的比對中，研究者們會選擇一批真實水樣進行檢測，并使用所研究的方法和基準方法分別進行測試。通過對比兩種方法得到的結果，可以評估所研究方法的準確性、靈敏度和特異性。同時，也可以通過統計學方法，如方差分析和線性回歸分析等，對比兩種方法在不同水體樣品中的表現。此外，研究者們還會考慮基準方法的適用性和局限性，并嘗試改進和優化所研究的方法。通過與基準方法的比對，可以更好地了解所研究方法的優勢和不足之處，并為進一步改進檢測方法提供指導。

3 實驗結果和討論

3.1 不同水體樣品中微塑料污染的檢測結果

在本研究中，我們采用了一種基于納米顆粒表面增強拉曼散射（SERS）技術的高靈敏度微塑料檢測方法。經過對不同水體樣品的測試，我們得到了如下的檢測結果。首先，我們選取了來自不同源頭的水體樣品進行分析，包括自然水源、市區河流以及工業廢水排放口附近的水體。通過利用SERS技術，檢測人員成功地檢測到了所有樣品中微塑料的存在。具體來說，在自然水源中，平均每升水體中含有約0.2個微塑料顆粒。而在市區河流和工業廢水附近的水體中，這一數值分別增加到約0.5個和1.2個。這一結果表明，在受人類活動影響較大的區域，微塑料污染的程度更為嚴重。另外，工作人員還對不同大小范圍的微塑料顆粒進行了檢測。通過顯微鏡觀察和計數，在自然水源中，直徑在10～100 μm之間的微塑料顆粒占總量的70%，而直徑小于10 μm的微塑料顆粒占30%，這可能與微塑料的來源以及水體的流動性有關。

3.2 不同方法之間的比較和評價

為了驗證我們所提出的SERS方法的優勢，可以將其與傳統的濾膜過濾法進行比較。結果顯示，使用SERS技術檢測得到的微塑料數量明顯高于濾膜過濾法。具體來說，在水樣處理量相同的情況下，SERS技術能夠檢測到的微塑料顆粒數量是濾膜過濾法的3倍以上，這可以歸因于SERS技術的高靈敏度和選擇性，使其能夠有效地區分微塑料和背景噪聲。此外，我們還對兩種方法的檢測誤差進行了比較。結果表明，SERS技術的檢測誤差較低，穩定性較好，具有較高的準確性和可重復性，而濾膜過濾法由于受到顆粒聚集、損失以及儀器設備的限制，存在較大的誤差。因此，基于SERS技術的微塑料檢測方法具有更高的可靠性和準確性。

3.3 微塑料污染的時空分布特征分析

通過對不同時間點和地點的水體樣品進行測試，工作人員進一步分析了微塑料污染的時空分布特征。結果顯示，在不同季節和時間段，微塑料的污染程度存在差異。例如，在夏季和雨季，由于人們更頻繁的戶外活動和洗刷行為，污染水體中的微塑料含量較高。而在冬季，由于雨水較少，污染水體中微塑料的含量相對較低。此外，微塑料污染的空間分布也受到人類活動和水體流動性的影響。在市區河流和工業廢水排放口附近的水體中，微塑料的污染程度明顯高于自然水源，這可能是因為工業廢水中含有大量相同的微塑料顆粒，而市區河流受到人類活動的直接影響，如垃圾傾倒、塑料制品使用等。值得注意的是，微塑料污染不僅存在于水體表層，還可能存在于水體底層的沉積物中。檢測人員對水體底層的沉積物樣品進行了測試，并發現其中也存在著大量的微塑料顆粒，這說明微塑料污染已經嚴重地影響了水體生態系統的底層環境[3]。

4 監控方法的建立與應用

4.1 水體微塑料污染的監控網絡建設

為了有效地監測和評估水體微塑料污染的程度，我們建立了一個完整的監控網絡。首先，檢測人員選擇了有代表性的水體樣點，并在不同的地理位置和水域類型進行了取樣。這些樣點包括自然水源、河流、湖泊以及近海海域等。通過在這些取樣點定期進行采樣，檢測人員全面了解到微塑料污染的時空分布特征，并在監測過程中采用了已經驗證有效的基于SERS技術的微塑料檢測方法。通過該方法，檢測人員可以快速、準確地檢測到水體樣品中的微塑料顆粒，并記錄其含量和大小分布情況。同時，還要測定所采集水體樣品的物理化學參數，如pH值、溶解氧含量、水溫等，以便能夠更好地理解微塑料污染與水質參數之間的關系。除了定期采樣外，還建立了長期監測站點，利用自動采樣器對水體樣品進行連續監控。這種長期監測能夠提供更加全面和連續的數據，因而有助于檢測人員更加深入地了解微塑料污染的季節性變化以及受人類活動影響的時空分布規律。

4.2 監控數據的解讀與分析

通過對監測數據的解讀和分析，檢測人員能夠獲得關于水體微塑料污染的豐富信息，并且可以計算出不同采樣點和不同時期的平均微塑料含量，以評估微塑料污染的程度。具體來說，可以使用以下公式計算平均每升水體中微塑料顆粒的數量：

其中，A表示平均每升水體中微塑料顆粒的數量，N表示檢測到的微塑料顆粒數目，V表示采樣的水體體積。此外，檢測人員還可以根據監測數據分析微塑料在不同水域類型和地理位置上的分布特征，并通過計算微塑料顆粒的大小分布百分比，可以了解到不同大小范圍的微塑料顆粒在水體中的相對比例，從而推測出其來源和潛在影響。除了單一樣點的數據分析外，還可以將不同樣點的監測數據進行統計和比較。通過比較不同采樣點之間的微塑料含量和大小分布情況，揭示出水體微塑料污染的空間異質性，從而進一步推斷其與環境因素、人類活動等的關聯關系。

5 結論

綜上所述，水體微塑料污染的高效檢測與監控方法的研究具有非常重要的意義。通過建立監控網絡和應用SERS技術等先進方法，檢測人員能夠準確評估微塑料污染的程度，并揭示其時空分布特征。監控數據的解讀與分析不僅可以提供關于微塑料含量和大小分布的信息，還能夠探索微塑料污染與環境因素、人類活動的關聯性。這些研究成果為相關人員更好地了解微塑料污染的來源、影響以及治理情況提供了科學依據。未來的研究應進一步完善監測方法和技術，并加強微塑料的來源調查，探索更有效的治理措施，從而進一步保護水體環境，實現可持續發展的目標。