Изучение микропластика: методы и типичные ошибки

Лид: В лабораторном стекле и рассоле

Под вытяжным шкафом исследователь наливает тяжелый раствор хлорида цинка в банку с прибрежными отложениями и наблюдает, как более легкие фрагменты всплывают на поверхность. На следующий день эти всплывшие частицы будут окрашены, сфотографированы и отправлены на спектрометры, которые попытаются считать «химические отпечатки пальцев» пластика. Каждый этап — химикат, используемый для растворения органического вещества, плотность рассола, выбранный краситель или прибор для обнаружения — может повлиять на то, какие частицы будут извлечены, какие подсчитаны и даже на то, будет ли признано наличие пластика в образце вообще.

Сепарация и предварительная обработка

Прежде чем можно будет приступить к идентификации, микропластик необходимо высвободить из скрывающих его матриц: песка, ила, водорослей или тканей животных. Сепарация по плотности — добавление солевого раствора, чтобы пластик с меньшей плотностью всплывал, — остается основным рабочим методом. Исследователи используют различные соли: обычную поваренную соль (NaCl) для полимеров низкой плотности, йодид натрия или хлорид цинка для более плотных полимеров, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТ) и поливинилхлорид (ПВХ). Использование более объёмных и лучше валидированных солевых растворов обычно позволяет извлекать полимеры более широкого диапазона плотностей, однако это сопряжено с компромиссами в стоимости, токсичности и обращении с отходами. Контрольные тесты показывают, что растворы более высокой плотности, такие как ZnCl2 и NaI, обеспечивают систематически более высокий уровень извлечения плотных полимеров по сравнению с NaCl, но NaCl остается привлекательным для рутинного и недорогого мониторинга, так как он более безопасен и общедоступен.

Визуальный скрининг и окрашивание

После экстракции многие лаборатории используют визуальный скрининг для сортировки частиц. Окрашивание Нильским красным (Nile Red) — липофильным флуоресцентным красителем — подсвечивает пластик в синем свете и может ускорить процесс подсчета и визуализации. При использовании в контролируемых условиях Нильский красный является быстрым, недорогим и чувствительным методом для различных полимеров и размеров; он был адаптирован для донных отложений, воды и даже некоторых биологических образцов. Но Нильский красный — не панацея: он также окрашивает органические остатки и может привести к завышению количества частиц, если разложение органики было неполным, а его чувствительность падает при работе с очень мелкими фрагментами. Поэтому операторы должны сочетать окрашивание с подтверждающим химическим анализом для получения надежных результатов.

Спектроскопия и визуализация

Для окончательной идентификации полимеров обычно требуется колебательная спектроскопия — инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (ИК-фурье) или Рамановская спектроскопия, — которые считывают молекулярные колебания для получения «отпечатков пальцев» полимера. Микро-ИК-фурье визуализация и Рамановское картирование позволяют идентифицировать частицы размером до нескольких микрометров и в сочетании с автоматизированным анализом изображений значительно сокращают время анализа и субъективность исследователя. Однако технологии различаются: Рамановская спектроскопия эффективна для очень мелких частиц и обеспечивает высокое пространственное разрешение, тогда как визуализация на основе ИК-фурье с матричным детектором работает быстрее на больших площадях фильтров. Автоматизированные платформы жертвуют точностью ради скорости, что может привести к ложноположительным результатам или пропуску мелких частиц; тщательная калибровка, справочные библиотеки и полуавтоматизированные рабочие процессы часто обеспечивают наилучший компромисс между производительностью и точностью.

Количественные термические методы

Там, где требуется оценка общей массы или массы конкретных полимеров, широко используются термические методы, такие как пиролитическая газовая хромато-масс-спектрометрия (Пир-ГХ-МС). Эти методы термически расщепляют полимеры на характерные фрагменты, которые затем разделяются и идентифицируются для определения типа и массы полимера. Пир-ГХ-МС эффективна для количественного анализа общей массы и для сложных матриц, где спектроскопия отдельных частиц нецелесообразна, но у нее есть известные ограничения: влияние матрицы может приводить к перекрытию продуктов пиролиза и возникновению ложноположительных результатов, особенно для таких полимеров, как полиэтилен, если образцы содержат жиры или другую органику. Недавние методологические работы позволили улучшить стратегии экстракции и выбора маркеров для снижения количества ложноположительных результатов и расширения пределов обнаружения, однако этот метод требует строгого контроля холостых проб, использования матричных стандартов и консервативной интерпретации слабых сигналов.

Контроль качества, загрязнение и воспроизводимость

Анализ микропластика исключительно уязвим к загрязнению: волокна из воздуха, синтетическая лабораторная одежда и пластик в расходных материалах могут попасть в холостые пробы и исказить результаты. Поэтому высококачественные исследования включают процедурные и полевые холостые пробы, тесты на внесение добавки и ее извлечение, а также повторную обработку проб для количественной оценки и коррекции загрязнения и эффективности извлечения. Недавняя критика резонансных исследований тканей человека подчеркивает серьезность проблемы: при наличии матричных помех и слабом контроле загрязнения химические сигналы могут быть ошибочно приняты за пластик, что вызывает призывы к использованию более консервативных методов и общих стандартов валидации. Область быстро движется к обязательному использованию чек-листов контроля качества и межлабораторным сравнениям, чтобы сделать наборы данных сопоставимыми.

Практические рекомендации для исследователей и программ мониторинга

Выстраивайте рабочий процесс в зависимости от матрицы и поставленной задачи. Для обследования пляжей или отложений с целью подсчета частиц размером >300 мкм может быть достаточно простой сепарации в NaCl и визуальной сортировки; для полной инвентаризации полимеров или измерения плотных полимеров используйте растворы более высокой плотности и проводите валидацию с помощью экспериментов по извлечению. Сочетайте инструменты быстрого скрининга (Нильский красный или визуализация) с подтверждающей спектроскопией для проверки подмножества частиц. Для оценки массы используйте Пир-ГХ-МС, но сочетайте её со строгим контролем по матричным стандартам и консервативными наборами маркеров во избежание ложноположительных результатов. Указывайте показатели извлечения, результаты холостых проб и пределы обнаружения наряду с количеством или массой, чтобы читатели могли судить о том, как выбор метода повлиял на результаты.

Куда движется отрасль

Автоматизация, машинное обучение и гармонизированные международные стандарты объединяются, чтобы сделать измерения более быстрыми и сопоставимыми. Успехи в Рамановской и ИК-фурье визуализации, а также гибридные рабочие процессы, сочетающие спектроскопию отдельных частиц с методами термического анализа, расширяют как диапазоны обнаружения, так и уверенность в идентификации полимеров. В то же время критические методологические обзоры и межлабораторные сравнения — включая усилия по уточнению ограничений Пир-ГХ-МС в биологических матрицах — заставляют научное сообщество переходить к более строгому контролю и прозрачной отчетности. Эти изменения имеют значение: политики, ученые-медики и общественность полагаются на надежные методы для обоснования нормативных актов, оценки воздействия и определения приоритетных мер.

Источники

• Environmental Science & Technology (Hurley et al., 2018; валидация методов для сложных матриц)
• University of Queensland (Rauert et al., 2025; эффективность Пир-ГХ-МС в крови человека)
• Marine Pollution Bulletin (исследования окрашивания Нильским красным)
• Analytical Methods и MethodsX (валидация сепарации по плотности и метод перелива)
• Scientific Reports и Chemosphere (сравнительные исследования предварительной обработки и растворов различной плотности)
• ACS ES&T Engineering (реагент Фентона и термические подходы Фентона)