单颗粒ICP-MS解锁碳-13 | 助力微塑料表征

2022-08-11 19:48:53, 珀金埃尔默珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

环境微塑料污染是一项备受关注的全球污染问题。随着塑料产品的大量使用，塑料进入环境并分解成微塑料，已有报道在海水、饮用水、土壤、空气和食物链中被发现，对人类和生物的健康造成潜在的威胁。然而，现阶段缺少检测和定量的可靠方法去评估微塑料在环境和食物链中的暴露水平，故对微塑料的风险认知仍很缺乏。

微塑料是含碳有机物颗粒，SP-ICP-MS有望成为检测微塑料的筛选工具。那么SP-ICP-MS检测微塑料如何克服高碳背景影响？大颗粒微塑料传输效率如何改善？实际样品中微塑料检测准确度如何？

SP-ICP-MS测定微塑料的挑战

ICP-MS很少用于分析C元素，因为碳元素电离电位高（11.3eV），并且存在用于产生等离子体的氩气（主要以CO₂的形式作为杂质）和试剂（包括酸和水）中，因此碳元素存在极高背景，从而导致分析检出限高。

如果碳元素的背景信号值（cps，counts per second）固定，这个背景的绝对计数（counts）就可以由SP-ICP-MS的驻留时间（dwell time）决定。因此，只要使用非常短的驻留时间，即可大大减少背景噪音，得到较低水平计数的背景绝对值。

NexION^® ICP-MS软件Syngisitx™中的纳米应用模块，能使用微秒驻留时间，将实时单颗粒采集与快速数据处理结合，用于常规分析。因为塑料颗粒的尺寸相对较大， 100-200μs的驻留时间可获得最佳检出限。C12和C13的背景均大大降低，但C13的背景更低，因此选择C13用于这项工作。在200μs驻留时间下获得的C13的平均背景少于50个计数，选择200μs驻留时间是准确度和检出限之间的最佳选择。

图1 SP-ICP-MS驻留时间200μs时获得的C13背景

微塑料的高效传输

对于液体，常规进样系统（即配有旋流雾化室的同心气动雾化器）的传输效率约为2%，其中雾化室旨在防止约4μm及更大的液滴到达等离子体。大多数SP-ICP-MS工作都集中在纳米级颗粒（通常小于100nm）上，使用传统进样系统，向等离子体的传输效率约为10%，较小颗粒通过雾化室的效率高于较大液滴。然而，典型的微塑料颗粒在微米级范围内，常规的雾化室会限制其到达等离子体。

利用单细胞ICP-MS（SC-ICP-MS）Asperon™雾化室，解决了常规旋流雾化室限制微米级别微塑料到达等离子体的问题。Asperon是一种独特的线性通路雾化室，其中与雾化室壁相切的鞘流减少了细胞与壁的撞击次数，雾化室内的层流将更多细胞带到等离子体。因此，对于微米级颗粒，Asperon雾化室的输送效率通常约为30%，是分析微米级微塑料颗粒的理想选择。

图2 Asperon™雾化室

实际样品微塑料检测准确度

选用标称粒径2.2μm聚苯乙烯微球，获取其典型粒子事件分布和相应粒度分布。粒子事件分布清楚显示可以检出2.2μm颗粒，粒度分布的中心为标称尺寸，证明了检测准确度。

图3 SP-ICP-MS测定2.2μm聚苯乙烯微球的结果

实验考察了三份不同塑料茶包，首先去除内容物，清洗并干燥，然后使用超纯水在100°C下加热5分钟，模拟泡茶过程。在所有样品中发现了杂质含碳颗粒，微粒数量和尺寸大致相同。茶包中，微粒最可能来自浸出或源自茶包本身的分解。

表1 塑料茶包中的含碳颗粒结果

结论

通过监测C13的信号，使用NexION系统的SP-ICP-MS可以成功用作微塑料测定的筛选工具或补充技术。借助NexION系统的驻留时间速度的优势，C13背景得以大大降低，从而可以准确测量微塑料颗粒。SP-ICP-MS在短时间内能提供粒度分布和颗粒浓度的更多信息。由于任何含碳微粒都会产生碳信号，因此测定微塑料颗粒时使用SP-ICP-MS获得的信号无法明确是与微塑料相关联。为了测定微粒是否为塑料，需要采用额外技术。将SP-ICP-MS与可鉴别微塑料成分的技术（如ATR-FT-IR）相结合，可以获得有关微塑料的更全面信息。