CN112577885B - 一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，属于分析检测领域。该方法通过控制样品所处环境的干、湿气体比例，进而改变湿度环境，方法易行，操作简单，调整相对湿度范围宽，且能够稳定在某一需要的相对湿度±1％的范围。同时本方法能够在线原位监测微塑料的表面官能团变化，不需要对样品进行处理，步骤简单、使用方便，是一种新型的单颗粒微塑料原位表征方法。

Description

一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法
技术领域
本发明属于分析检测领域。具体地说，涉及一种不同湿度条件下微塑料的原位显微红外表征方法。
背景技术
在过去的百年，大量的塑料被生产和使用，其中近10％的塑料产品最终进入了自然环境。进入自然环境的塑料经光解、热解、水解、机械磨损以及微生物作用逐渐变得脆弱，进一步降解会形成微小的塑料残体。在这些塑料残体中，尺寸小于5毫米的塑料被定义为微塑料。微塑料在水生和陆地生态系统中普遍存在，并且可以在环境中累积数个世纪。目前，已从多种环境介质中检测到了微塑料的存在，包括河流、海洋、污水、沉积物、大气和土壤。微塑料的生物毒性已经受到广泛关注，一方面微塑料被生物(例如水蚤，贻贝和鱼类)摄入，对生物造成直接损害；另一方面，微塑料作为污染物的媒介，可以吸收环境中的污染物，并将污染物引入生物，对生物造成间接损害。因此，对微塑料的特性研究显得尤为重要。
微塑料的特性，包括形态、机械强度、氧含量以及分子量等，随着其老化而改变，而微塑料的老化行为则受其所处的环境影响，比如温度、光照、湿度等。目前，温度、光照对微塑料老化的影响研究较多，但因为缺乏控制微塑料所处环境湿度的方法，因此湿度对微塑料老化的影响研究较少。
红外光谱法具有分析速度快、价格便宜、选择性高以及无破坏性等特点，被广泛用于微塑料的表征。进一步开发的显微-傅里叶变换红外光谱仪(Micro-FTIR)是将FTIR光谱仪与显微镜相结合，由于提高了空间分辨率，因此可以检测越来越小的样本。Micro-FTIR非常便于使用，因为它几乎不需要对样品进行制备，并且可以用于直接在膜滤器上鉴定微塑料。
原位红外是指在原位下用红外线光谱仪记录微观的反应变化，但是目前还未有将原位红外方法应用于微塑料的研究。因为在原位红外监测的过程中如何能够实现稳定的湿度控制是现有技术中面对的难题。
发明内容
1.要解决的问题
针对目前缺少湿度对微塑料老化的影响的研究的方法，本发明提供了一种不同湿度条件下微塑料显微红外表征的方法，实现微塑料表面形态的原位显微红外检测。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，包括如下步骤：
1)将微塑料放置在样品室内；
2)采用湿度监测设备实时监测样品室湿度；
3)向样品室内通入干气体和/或湿气体，根据湿度监测结果调整干、湿气体流量，改变样品室内的干、湿气体比例，使得湿度满足要求；
4)待样品室湿度稳定后进行微塑料的原位显微红外表征，得到红外表征结果；
5)重新调整干、湿气体流量，分别得到样品的红外表征结果。
优先地，上述干气体由气源直接产生，通入样品室；上述湿气体由气源通过管路连接储液容器，再由储液容器的出气管路排出形成，通入样品室。
优选地，储液容器的两个管路，气体进口管路没入水中，气体出口管路不没入水中。
优选地，干、湿气体进入样品室前先进入干、湿气体混合单元进行混合，以使得干、湿气体混合均匀，同时更加节省气体。
优选地，干、湿气体混合单元为干、湿气体混合瓶。
优选地，产生干气体的气源连接安全瓶后再进行后续连接，以防止湿的气体倒流。
优选地，产生湿气体的气源连接安全瓶后再连接储液容器，以防止液体倒吸。
优选地，产生干气体的气源和产生湿气体的气源为同一气源，通过气体分流控制器进行分流形成两道气源。气体分流控制器可以控制两道气源的分流比例和/或流量，从而控制干、湿气体的流量。根据需要，如需要调高样品室湿度，则增大湿气体流量，和/或减小干气体流量。
优选地，气源选择空气、氮气、氧气等任一种或多种，也可根据需要选择不同气体。
优选地，储液容器中液体为蒸馏水、自来水等任一种，也可根据需要选择不同液体。
优选地，上述气体分流控制器以1mL/min的最小值改变气体流量，可以微调样品室内的相对湿度，使得湿度调节更加精准。
优选地，样品放置样品室后进行固定，样品室内设置样品固定单元可以使样品为小颗粒等样品时保证其加稳定的放置，使原位检测更加便利。
优选地，样品室内设有凹槽，用来固定样品。
优选地，气路使用橡胶管连接，可以保证连接的气密性。
优选地，湿度监测设备为温湿度仪。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法，通过向样品室内通入一定比例的干气体和湿气体，改变样品室的干、湿气体比例，从而改变样品室内的湿度，操作简单，成本低廉，方法易行，能够实现湿度恒定的条件下微塑料的准确表征，同时能够研究不同湿度对微塑料红外表征的影响，能够克服在微塑料红外监测过程中由于不同位置湿度的不稳定给监测结果造成的不利影响。
(2)本发明的方法，样品室内相对湿度的调节范围宽，如图4所示，湿度范围可以在10％～90％之间调整；此外，样品室内相对湿度能够稳定在某一确定的相对湿度±1％的范围，湿度控制精准。同时，有利于结合其他影响因素进行研究，如图3所示，在90％相对湿度条件下，研究不同光照时间对微塑料老化的影响。
(3)本发明的方法，采用显微红外镜，可以检测纳米级的样本，几乎不需要对样品进行处理，可以直接鉴定样品室内的微塑料，使用更加方便。
附图说明
图1为本发明的湿度控制原位显微红外表征方法的示意图。
图2为实施例1中配套电脑中OPUS软件界面的示例。
图3为实施例1中在90％相对湿度条件下，不同光照时间时PVC表面C＝O双键强度的变化图。
图4为光照12h时，不同相对湿度条件下PVC表面C＝O双键的强度图。
其中，1、空气瓶；2、气体分流控制器；3、第一安全瓶；4、第二安全瓶；5、储水瓶；6、干、湿气体混合瓶；7、温湿度仪；8、样品室；9、溴化钾窗片；10、凹槽；11、红外显微镜；12、电脑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
需要说明的是，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
如本文所使用，术语“......中的至少一个”旨在与“......中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确包括仅A、仅B、仅C以及它们各自的组合。
浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。
任何方法或过程权利要求中所述的任何步骤可以以任何顺序执行，并且不限于权利要求中提出的顺序。
实施例1
一种恒定湿度下研究聚氯乙烯(PVC)微塑料光老化行为的方法，如图1所示，其对应的装置如下：
包括湿度控制单元、样品室8、样品检测单元及湿度监测单元，所述样品检测单元用于检测样品室8中的样品，所述湿度监测单元和湿度控制单元分别与样品室8连接。
所述湿度控制单元包括气源、气体分流控制器2、储液单元及干、湿气体混合单元，本实施例中气源为空气瓶1，储液单元为储水瓶5，干、湿气体混合单元为干、湿气体混合瓶6等。空气瓶1连接气体分流控制器2；气体经分流控制器2分流为两条管路，其中一条管路与第一安全瓶3连接，另一管路与第二安全瓶4连接；第二安全瓶4与储水瓶5连接，储水瓶5包括气体进口管路和气体出口管路，气体进口管路没入水中，气体出口管路不没入水中；第一安全瓶3与储水瓶5的气体出口管路与干、湿气体混合瓶6连接，干、湿气体混合瓶6与样品室8连接.所述湿度监测单元为温湿度仪7，与样品室8连接，用于实时监测样品室8的湿度。所述样品检测单元为红外检测系统，包括红外显微镜11和配套电脑12；样品室8设有溴化钾窗片9；样品室设有样品固定单元，本实施例中样品固定单元为凹槽10。
利用上述装置进行研究的步骤为：
1)打开样品室8，将原始PVC微塑料颗粒装入样品室的凹槽10内，然后密封；
2)同时打开空气瓶1，气体分流控制器2及温湿度仪7。空气通过气体分流控制器2分流，一道气源通过第一安全瓶3后进入干、湿气体混合瓶6；另一道气源通过第二安全瓶4进入储水瓶5，加湿后进入干、湿气体混合瓶6；干、湿气体在混合瓶6混合后进入样品室8。
3)调节气体分流控制器2的两个分流的气体流量并观察温湿度仪上的相对湿度示数，待相对湿度变化较缓时调节气体流量至相对湿度稳定在90％±1％。
4)打开红外显微镜11并测定样品未老化时的红外光谱，红外线透过溴化钾窗片9照射在样品上，检测结果在配套电脑12上显示。记录电脑12软件上显示的测样点的坐标。本例中测样点为一个PVC颗粒上正方形范围内的10×10个点位。
5)红外光谱测定完毕后向样品外加汞灯灯光。
6)在光照后的0.5，1，1.5，2，3，4，5，6，8，10，12h关闭光源，并根据记录的坐标再次测定样品同一位置的红外光谱，测定完毕后打开光源继续计时，重复进行此操作至终止。
7)关闭气瓶，取出样品室内样品并将样品室清理干净。
8)关闭气瓶、气体分流控制器和温湿度仪，清理样品室，结束实验。
结果分析如下：
(1)图2为OPUS软件界面的示例，选用的是湿度90％条件下反应12h的样品。界面右上角圈出的部分显示的是在微塑料表面选择的100个测样点，每个测样点都得到对应的红外光谱图，默认显示右上角和左下角的谱图；界面左上角显示的是信号强度，可以自主在红外谱图上选择需要的峰，积分后左上角会显示100个测样点所得到的谱线在该峰处积分的强度分布图，可以选择3D(图2所示)或2D图。
(2)图3为在90％相对湿度条件下，光照不同时间时PVC表面C＝O双键强度的变化图。可以看出，在光照条件下PVC大分子内C＝O双键增加。
实施例2
本实施例的聚氯乙烯(PVC)微塑料老化行为的方法，基本同实施例1，不同之处在于：在实施例1中的步骤(3)中，调节相对湿度至30％±1％；在步骤(6)中，仅记录光照12h的红外光谱，其余步骤相同。
实施例3
本实施例的聚氯乙烯(PVC)微塑料老化行为的方法，基本同实施例1，不同之处在于：在实施例1中的步骤(3)中，调节相对湿度至50％±1％；在步骤(6)中，仅记录光照12h的红外光谱，其余步骤相同。
实施例4
本实施例的聚氯乙烯(PVC)微塑料老化行为的方法，基本同实施例1，不同之处在于：在实施例1中的步骤(3)中，调节相对湿度至70％±1％；在步骤(6)中，仅记录光照12h的红外光谱，其余步骤相同。
结果分析
图4为光照12h时，不同相对湿度条件下PVC表面C＝O双键的强度图。可以看出，利用本装置能够对不同湿度条件下PVC进行原位显微红外表征，也初步说明湿度对PVC的老化程度存在一定的影响。

Claims (10)

1.一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将微塑料放置在样品室内；
2)采用湿度监测设备实时监测样品室湿度；
3)向样品室内通入干气体和/或湿气体，根据湿度监测结果调整干、湿气体流量，改变样品室内的干、湿气体比例，使得湿度满足要求；
4)待样品室湿度稳定后，利用红外显微镜进行微塑料的原位显微红外表征，得到红外表征结果，所述原位显微红外表征是指选取微塑料上10×10个点位，并记录上述点位的红外光谱图，选择C＝O双键峰处积分得到谱线在C＝O双键峰处的强度分布图；
5)重新调整干、湿气体流量，得到不同湿度下样品的红外表征结果。
2.根据权利要求1所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，所述干气体由气源直接产生；所述湿气体通过将气源连接至储液容器，再由储液容器的出气管路排出而形成。
3.根据权利要求2所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，所述干气体和湿气体预先混合后再通入样品室。
4.根据权利要求3所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，产生湿气体的气源与储液容器之间连接有第二安全瓶；和/或产生干气体的气源预先经过第一安全瓶再与湿气体混合。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，产生干气体和湿气体的气源由不同的气源分别提供；或所述产生干气体和湿气体的气源为同一气源，通过气体分流控制器进行分流，形成两道气源；所述干气体和湿气体的混合比例通过控制气体分流控制器的分流比例和/或流量以实现。
6.根据权利要求5所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，以1mL/min调节气体分流控制器，改变两道气源的流量。
7.根据权利要求6所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，气源包括空气、氮气、氧气中的任意一种或几种。
8.根据权利要求7所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，储液容器中液体包括蒸馏水、自来水中的任意一种。
9.根据权利要求8所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，所述步骤3)中控制样品湿度范围在10％～90％。
10.根据权利要求5-8任意一项所述的一种微塑料的湿度控制原位显微红外表征方法，其特征在于，在不同光照时间条件下对微塑料进行原位显微红外表征。
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