EnglishNhóm tác giả
George Dierkes, Susanne Becher, Heike Schumacher, và Corinna Földi
Viện Nghiên cứu Thủy văn Liên bang Đức
Tim Lauschke, và Thomas Ternes
Viện Khoa học Tự nhiên Tích hợp, Đại học Koblenz–Landau, Đức
Joerg Riener
Agilent Technologies
Tóm tắt
Nhu cầu định lượng vi nhựa trong các mẫu môi trường đang ngày càng gia tăng. Thông tin ứng dụng này trình bày phương pháp chiết lỏng áp suất cao (PLE) kết hợp với nhiệt phân – sắc ký khí – khối phổ (pyr-GC/MS) mạnh mẽ để định lượng các loại vi nhựa như polyethylene (PE), polypropylene (PP) và polystyrene (PS) ở nồng độ thấp trong các nền mẫu môi trường sử dụng hệ thống Agilent 5977B GC/MSD, Agilent 7890B GC và phần mềm Agilent MassHunter. Các tiêu chí về độ tuyến tính, giới hạn định lượng (LOQs) và độ lặp lại đối với các mẫu môi trường thực tế đã được đánh giá. Hệ thống GC/MSD đã giải quyết được vấn đề giới hạn phát hiện chưa đạt yêu cầu của các phương pháp trước đây. Vi nhựa PE, PP và PS được định lượng xuống đến mức 0,005 mg/g. Độ tuyến tính đạt kết quả xuất sắc (R² > 0,97) đối với các mẫu hiệu chuẩn từ 0,005 đến 1 mg/g. Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) cho cả mẫu thêm chuẩn và mẫu môi trường đều đạt mức < 10% hoặc thấp hơn, chứng minh độ lặp lại và độ tin cậy xuất sắc của hệ thống
Giới thiệu
Vi nhựa thường được định nghĩa là các hạt nhựa và mảnh vụn có kích thước chiều dài nhỏ hơn 5 mm. Những hạt này xâm nhập vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau và tồn tại trong hàng trăm năm hoặc lâu hơn, làm tăng khả năng bị các sinh vật hấp thụ và tích lũy sinh học. Do đó, nhu cầu định lượng nồng độ vi nhựa trong các mẫu môi trường như đất, nước và chất hữu cơ ngày càng tăng.
Do trọng lượng phân tử rất cao và độ hòa tan kém trong hầu hết các dung môi, việc định lượng vi nhựa trong các mẫu môi trường bằng phương pháp GC/MS truyền thống hoặc LC-MS/MS là một thách thức. Vi nhựa có thể được đo bằng các kỹ thuật phổ học như phổ hồng ngoại (IR) cung cấp thông tin về số lượng hạt, danh tính hóa học và phân bố kích thước. Bổ sung cho các kỹ thuật này, việc sử dụng chiết nhiệt kết hợp với GC/MS cung cấp thông tin về hàm lượng theo khối lượng, điều thiết yếu cho các mục đích quản lý và giám sát. Mặc dù phương pháp pyr-GC/MS đã cho thấy nhiều triển vọng, nhưng theo truyền thống, chúng vẫn gặp phải các vấn đề về giới hạn phát hiện chưa đủ thấp, nhiễu nền xuất phát từ các thành phần của nền mẫu, và sự phân bố không đồng đều của các hạt vi nhựa trong mẫu.
Dierkes và các cộng sự đã đề xuất rằng việc xác định đáng tin cậy vi nhựa yêu cầu giới hạn định lượng dưới 1 mg/g. Để vượt qua các hạn chế, họ đã phát triển phương pháp sử dụng PLE kết hợp với pyr-GC/MS để định lượng vi nhựa ở nồng độ thấp trong các nền mẫu trầm tích, đất và bùn thải phức tạp. Tài liệu này mô tả sự phù hợp của hệ thống Agilent 5977B GC/MSD cùng với Agilent 7890B GC và phần mềm MassHunter trong việc thực hiện phương pháp này. Ngoài các loại nhựa phổ biến nhất, kỹ thuật này còn có thể phân tích các loại khác như nylon, polyurethane (PUR), PET, EVA, PVC, ABS và polymer fluorocarbon
Thực nghiệm
Chuẩn bị chất chuẩn và mẫu
Do độ tan kém, việc chuẩn bị các nồng độ hiệu chuẩn từ dung dịch gốc bằng cách pha loãng là gần như không thể. Các mẫu hiệu chuẩn được tạo ra bằng cách pha loãng nối tiếp hỗn hợp gốc với một nền mẫu trơ (cát biển nung). PE, PS và PP được nghiền đông lạnh và trộn vào cát biển để có 10 g hỗn hợp gốc. Hỗn hợp gốc sau đó được pha loãng nối tiếp để đạt được nồng độ polymer cho mỗi điểm hiệu chuẩn từ 0,005 đến 10 mg/g.
Đối với PLE, 1 g mẫu được cho vào các chén chiết bằng thép không gỉ 10 mL và được chiết bằng thiết bị chiết dung môi. Bước tiền chiết bằng methanol được sử dụng để giảm hiệu ứng nền mẫu. Quá trình chiết vi nhựa sử dụng tetrahydrofuran ở 185 °C và 100 bar. Dịch chiết được thu vào các lọ 60 mL chứa 200 mg silica gel nung. Sau khi chiết, 10 μL polystyrene-d5 (270 μg/mL trong dichloromethane, Polymer Source) được thêm vào làm nội chuẩn. Dung môi sau đó được bay hơi để các polymer kết tủa bám trên silica gel. Các phần vi nhựa bám trên thành lọ được rửa bằng dichloromethane ít nhất ba lần. Silica gel sau đó được đồng nhất hóa trong 5 phút.
Phân tích Pyr-GC/MS và thiết bị
Phân tích được thực hiện bằng bộ nhiệt phân Multi-Shot EGA/PY-3030D và bộ lấy mẫu tự động Auto-Shot AS-1020E (Frontier Laboratories) kết hợp với GC 7890B và GC/MSD 5977B. Với mỗi lần phân tích, 20 mg silica gel đã đồng nhất được cân vào chén nhiệt phân 80-μL và nhiệt phân ở 600 °C. Hệ thống 5977B GC/MSD được cấu hình với nguồn ion hóa EI extractor (extractor EI source) và vận hành ở chế độ giám sát chọn lọc Ion (SIM) để tối đa hóa độ nhạy. Thời gian chạy là 29 phút. Bảng 1 và 2 tóm tắt các thông số hệ thống.
Bảng 1: Thông Số GC 7890B
| Parameter | Value |
| Inlet | Split/splitless (SSL) |
| Mode | Split |
| Split Ratio | 20:1 |
| Total Flow | 28.2 mL/min |
| Carrier Gas | Helium |
| Inlet Liner | 4 mm id, split, wool |
| Inlet Liner Part Number | 5183-4711 |
| Inlet Temperature | 320 °C |
| Oven | |
| Initial Oven Temperature | 40 °C |
| Initial Oven Hold | 2 min |
| Ramp Rate 1 | 20 °C/min |
| Final Temp 1 | 320 °C |
| Final Hold 1 | 13 min |
| Total Run Time | 29 min |
| Column | |
| Type | 5% Phenyl methylpolysiloxane phase |
| Length | 30 m |
| Diameter | 0.25 mm |
| Film Thickness | 0.25 µm |
| Control Mode | Constant flow |
| Flow | 1.2 mL/min |
| Inlet Connection | Split/splitless inlet (SSL) |
| Outlet Connection | MSD |
Bảng 2: Thông Số của MS
| Parameter | Value |
| Model | 5977B |
| Source | XTR EI 350 |
| Tune File | EI-Atune.u |
| Mode | SIM |
| Solvent Delay | 2 min |
| EM Voltage Gain Mode | 1 |
| Trace Ion Detection | Off |
| Quad Temperature | 150 °C |
| Source Temperature | 230 °C |
| Transfer Line Temperature | 280 °C |
| Dwell Time | 100 ms |
Phương pháp thu nhận và định lượng dữ liệu
Sử dụng phần mềm MassHunter phiên bản B.07.00. Các sản phẩm nhiệt phân đặc trưng được theo dõi ở chế độ SIM để định lượng. Bảng 3 hiển thị các ion và thời gian lưu được theo dõi. Đường chuẩn được xây dựng bằng cách sử dụng trọng số 1/x
Bảng 3: Các ion và thời gian lưu giữ được theo dõi cho từng loại polymer và sản phẩm nhiệt phân.
Đánh giá và thẩm định phương pháp
Độ chọn lọc của phương pháp được đánh giá bằng cách chiết và phân tích các nền mẫu không nhiễm vi nhựa được trộn với cát biển (3% theo khối lượng). Các nền mẫu bao gồm gỗ cây anh đào, lá hoa anh thảo tối, lá kim cây thông đỏ, axit humic, phi lê cá chép, tôm sông, dầu động cơ và giấy lọc; chúng đại diện cho các thành phần điển hình của các nền mẫu môi trường như protein, chất béo và polysaccharide.
Độ thu hồi của phương pháp được xác định bằng cách phân tích 1 g cát chứa 3% khối lượng axit humic được thêm chuẩn với 0,05 và 0,75 mg/g PE, PP và PS. Độ lặp lại được xác định thông qua việc phân tích lặp lại năm mẫu môi trường, mỗi mẫu được chiết nhiều lần.
Ảnh hưởng của kích thước hạt vi nhựa đến độ lặp lại và khối lượng mẫu tối thiểu để thu được các phần mẫu thử đại diện được xác định bằng cách phân tích hỗn hợp cát và PE với hai kích thước hạt (10–50 μm và 200–400 μm) tại hai mức nồng độ thêm chuẩn (1 mg/g và 10 mg/g). Để đánh giá hiệu quả trên mẫu thực, ít nhất 500 g nhiều loại nền mẫu gồm trầm tích, chất lơ lửng, đất ven đường, đất trồng cây và bùn thải đã được thu thập, làm khô, chiết và phân tích lặp lại ba lần. Nhiễm bẩn từ dụng cụ nhựa đã được tránh cẩn thận.
Kết quả và Thảo luận
Độ tuyến tính và Giới hạn định lượng
Hình 1 cho thấy các sắc ký đồ trích xuất ion của hỗn hợp chuẩn tại nồng độ 0,25 mg/g. Để xây dựng các đường chuẩn, diện tích pic tương đối đã được tính toán bằng cách sử dụng nội chuẩn polystyrene-d5. Các đường chuẩn tuyến tính (R² > 0,97) xuống đến nồng độ 0,005 mg/g đã thu được cho tất cả các loại polymer. Đáp ứng tuyến tính thu được lên đến nồng độ 1 mg/g đối với PP và PS. Đối với PE, đáp ứng là tuyến tính lên đến nồng độ 10 mg/g.
Việc phát hiện dương tính giả đối với vi nhựa là một vấn đề đáng lo ngại do sự phổ biến của nhựa trong hầu hết các phòng thí nghiệm. Do đó, các tác giả đã định nghĩa giới hạn định lượng (LOQs) là nồng độ mà tại đó 95% các mẫu trắng cho tín hiệu thấp hơn. Sử dụng các đáp ứng tương đối trung bình của 11 mẫu trắng, các nồng độ polymer trong mẫu trắng cùng với khoảng tin cậy một phía (t(p = 0,95; n – 1 = 10) = 1,812) đã được tính toán làm các giá trị LOQ (Bảng 4).
Bảng 4. Giới hạn định lượng
| Polymer | LOQ (mg/g) |
| PP | 0.007 |
| PE (m/z 97) | 0.007 |
| PE (m/z 81) | 0.16 |
| PS | 0.008 |
Độ chọn lọc của phương pháp
Do phương pháp định lượng pyr-GC/MS dựa trên việc định lượng gián tiếp các sản phẩm nhiệt phân của polymer (Bảng 3), các loại Nhiễu nền xuất phát từ các thành phần của nền mẫu trong các mẫu môi trường không bị nhiễm bẩn đã được đánh giá. Các nền mẫu thử nghiệm cho thấy không có nhiễu đáng kể đối với PP. Nền mẫu gỗ dẫn đến sự gia tăng nồng độ nền thêm 0,042 mg/g đối với PS. Mặc dù axit amin phenylalanine là một tiền chất nhiệt phân của styrene, các nền mẫu cá giàu protein đã không gây ra nhiễu nhờ bước tiền chiết bằng methanol đã loại bỏ protein hiệu quả. Do đó, việc định lượng PP và PS bằng phương pháp pyr-GC/MS trong các mẫu môi trường ít có khả năng bị sai lệch đáng kể bởi sự hiện diện của các chất có nguồn gốc tự nhiên, miễn là không có tỷ lệ gỗ quá cao trong mẫu. Tuy nhiên, việc định lượng PE chịu ảnh hưởng bởi các loại nhiễu; ví dụ, 30 mg dầu động cơ tạo ra cường độ ion tương đương với 1,1 mg chuẩn PE. Kết quả này có thể gây trở ngại khi phân tích các mẫu môi trường bị nhiễm dầu hoặc xăng. Nhìn chung, sự kết hợp giữa tiền chiết bằng methanol, chiết dung môi bằng THF và việc sử dụng các ion chỉ thị để định lượng đã đem lại độ đặc hiệu cao, đảm bảo tính phù hợp của phương pháp trong việc định lượng vi nhựa trong các nền mẫu chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ. Do các phân tích pyr-GC/MS trực tiếp (không qua chiết) với lượng mẫu nạp 20 mg (lượng tối đa có thể xử lý trong chén nhiệt phân 80 μL) cho giá trị RSD lên đến 50%, lượng mẫu nạp vào đã được tăng lên tới 1000 mg thông qua kỹ thuật PLE với tetrahydrofuran. Lượng mẫu nạp 200 mg đối với các phân đoạn kích thước từ 10 đến 50 μm cho giá trị RSD < 10%, trong khi đối với các phân đoạn từ 200 đến 400 μm, ngay cả khi nạp 1000 mg mẫu, giá trị RSD vẫn ghi nhận ở mức 21%. Những kết quả này chỉ ra rằng các mẫu chứa hạt vi nhựa có kích thước > 200 μm cần được nghiền trong máy nghiền đông lạnh trước khi thực hiện PLE nhằm đạt được sự phân bố đồng đều của các hạt trong mẫu
Độ thu hồi và độ lặp lại của phương pháp
Bảng 5 trình bày các giá trị thu hồi đối với PP, PS và PE trong nền mẫu axit humic và cát biển. Khi xem xét mức độ không đảm bảo thống kê là ±20%, có thể thấy các hiệu ứng nền mẫu không gây trở ngại đáng kể đến kết quả phân tích. Độ thu hồi đối với các loại vật liệu hữu cơ khác như phi lê cá, tôm sông, lá cây và lá kim cũng cho kết quả tương đương. Các giá trị độ lệch chuẩn tương đối (RSD) đều đạt mức < 10% hoặc thấp hơn, khẳng định độ lặp lại và độ tin cậy tuyệt vời của phương pháp.
Bảng 5. Độ thu hồi của các polymer ở các mức thêm chuẩn khác nhau
| Polymer | Spiking level (mg/g) |
Recovery average (%)* |
|---|---|---|
| PP | 0.05 | 95 ± 9 |
| 0.75 | 85 ± 15 | |
| PS | 0.05 | 77 ± 19 |
| 0.75 | 118 ± 17 | |
| PE (m/z = 81) | 0.05 | <LOQ |
| 0.75 | 123 ± 1 | |
| PE (m/z = 97) | 0.05 | 114 ± 35 |
| 0.75 | 131 ± 15 |
* Confidence interval t(0.95; n − 1 = 2) = 4.303
Hiệu suất phương pháp trong phân tích các mẫu môi trường
Các mẫu trầm tích, hạt lơ lửng, đất và bùn thải đã được phân tích để xác định sự nhiễm bẩn PP, PE và PS. Kết quả của các phân tích này được trình bày cụ thể trong Bảng 6. Một số phát hiện đáng chú ý bao gồm:
- Trong trầm tích sông, PP và PE được phát hiện ở nồng độ lần lượt là 0,032 ± 0,001 và 0,028 ± 0,006 mg/g; trong khi đó, PS không hiện diện ở mức trên giới hạn định lượng LOQ (0,008 mg/g). PE và PP cũng được tìm thấy trong các chất lơ lửng với nồng độ lần lượt lên tới 0,98 ± 0,02 và 0,055 ± 0,010 mg/g.
- Trong bùn thải, cả ba loại polymer đều được phát hiện ở nồng độ dao động từ 0,08 ± 0,02 mg/g (PP) đến 3,3 ± 0,3 mg/g (PE).
- Đất trồng cây chứa PE ở nồng độ tương tự như trong bùn thải, nhưng đối với PP chỉ phát hiện thấy dạng vết. PS không được phát hiện trong nền mẫu này.
- Trong đất ven đường, cả ba loại polymer đều hiện diện với nồng độ lên tới 0,85 ± 0,07 mg/g (đối với PE). Các kết quả này khẳng định rằng hệ thống 5977B GC/MSD hoàn toàn phù hợp để phát hiện và định lượng vi nhựa PE, PP và PS bằng phương pháp pyr-GC/MS trong các loại nền mẫu khác nhau.
Bảng 6. Kết quả các mẫu môi trường.
| Sample | N | PE | PP | PS | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Average (mg/g) |
RSD% | Average (mg/g) |
RSD% | Average (mg/g) |
RSD% | ||
| Soil 1 | 7 | 0.79 | 6.0 | 0.039 | 7.4 | 0.054 | 9.6 |
| Soil 2 | 6 | 0.85 | 7.3 | 0.040 | 9.2 | 0.057 | 7.9 |
| Sludge 1 | 7 | 3.03 | 6.8 | 0.100 | 12.3 | 0.61 | 4.1 |
| Sludge 2 | 7 | 3.27 | 4.2 | 0.081 | 10.0 | 0.50 | 4.0 |
| Potting Soil | 7 | 2.81 | 7.1 | < 0.007 | n.a. | < 0.008 | n.a. |
Kết luận
Trong nghiên cứu này cho thấy Hệ thống Agilent 5977B GC/MSD cùng với GC 7890B và phần mềm Agilent MassHunter Workstation là giải pháp hiệu quả cho việc định lượng vi nhựa trong môi trường một cách thường quy, ổn định và tin cậy. Hệ thống đã giải quyết triệt để những hạn chế về giới hạn phát hiện của các phương pháp trước đây, cho phép định lượng thành công PE, PP và PS ở nồng độ thấp (đến 0,005 mg/g) với độ tuyến tính và độ lặp lại xuất sắc. Phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng về hàm lượng theo khối lượng, phục vụ đắc lực cho công tác quản lý và giám sát môi trường.
Tài Liệu Tham Khảo
- Robey, D. Microplastics Analysis Doesn’t Need to Be So Hard. Agilent Technologies, publication number 5994-1584EN, 2019.
- Scircle, A. et al. Occurrence of Microplastic Pollution at Oyster Reefs and Other Coastal Sites in the Mississippi Sound, USA: Impacts of Freshwater Inflows from Flooding.Toxics 2020, 8(2), 35. https://doi.org/10.3390/toxics8020035.
- Dierkes, G. et al. Quantification of microplastics in environmental samples via pressurized liquid extraction and pyrolysis-gas chromatography. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2019,411, 6959–6968. https://doi.org/10.1007/s00216-019-02066-9.
