一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法
阅读说明：本技术 一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法 (Micro-plastic in-situ detection method based on plasma ionization mass spectrometry technology ) 是由 贾滨 程平 刘吉星 徐丽 黄玉梁 董俊国 谢春光 赵高升 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法,包括如下步骤：S1、建立数据库,采集常见微塑料降解产物的种类和数量,建立微塑料降解反应的指纹谱图库；S2、样品提供,将样品通过样品承载组件放置于等离子体炬管和离子传输管之间并且调整好等离子体炬管、样品承载组件以及离子传输管之间的距离；S3、通入载气,开启等离子体电离源,激发产生等离子体,令等离子体炬管产生等离子体焰炬,使得微塑料进行降解；S4、微塑料降解后的产物被等离子体电离,产生产物的离子,产物的离子经离子传输管的入口进入质谱仪；S5、打开质谱仪进行检测,通过采集到的产物的离子与指纹谱图库进行对比。本发明可以对样品中的微塑料进行定性定量分析。(The invention discloses a micro-plastic in-situ detection method based on a plasma ionization mass spectrometry technology, which comprises the following steps: s1, establishing a database, collecting the types and the number of common micro-plastic degradation products, and establishing a fingerprint spectrum library of the micro-plastic degradation reaction; s2, providing a sample, placing the sample between the plasma torch tube and the ion transmission tube through the sample carrying assembly, and adjusting the distance between the plasma torch tube, the sample carrying assembly and the ion transmission tube; s3, introducing carrier gas, starting a plasma ionization source, exciting to generate plasma, and enabling a plasma torch tube to generate a plasma torch so as to degrade the micro plastic; s4, ionizing the product after the micro plastic is degraded by plasma to generate the ion of the product, and enabling the ion of the product to enter a mass spectrometer through an inlet of an ion transmission tube; and S5, opening the mass spectrometer for detection, and comparing the collected ions of the product with the fingerprint spectrogram library. The invention can carry out qualitative and quantitative analysis on the micro-plastic in the sample.)
技术领域
本发明涉及微塑料检测技术领域，尤其涉及到一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法。
背景技术
塑料是建筑、医疗保健、工程和包装等许多行业应用的关键材料。在过去的五十年中，全球塑料废物的产量以每年8.7％的速度增长，2017年全球产量已达91亿吨。然而，由于塑料难降解和管理不当，塑料废物已成为最严重的环境问题之一。受多种因素影响，如阳光、微生物或机械磨损，环境中的塑料慢慢降解成更小的碎片。直径小于5mm的塑料颗粒被定义为微塑料(MPs)。根据来源，微塑料可分为初级(如塑料生产和化妆品)微塑料和次级(如大塑料分解)微塑料。作为一种典型的新型污染物，微塑料具有稳定的化学性质，在环境中能够长期存在，导致了严重的环境问题并逐渐引起学者们的广泛关注。
当前适用的MPs识别和量化工具主要有肉眼检测、常规光学显微镜、染料染色的应用、流式细胞检测分析、显微傅立叶变换红外(FTIR)光谱、显微拉曼(RM)光谱、热解-气相色谱-质谱法(py GC-MS)和热萃取-解吸气相色谱-质谱(TED GC-MS)进行的热降解分析。上述方法各有优缺点，但较为共同的缺点是较难进行原位的快速的现场鉴定。
常规的质谱分析手段为：附着在样品表面或者样品内部的待测物分子，在电离源的作用下被电离，得到其离子，该气相离子被送入到质谱内进行质量分析和检测，从而获得样品质谱谱图；而针对土壤、水等样品中微塑料的分析，即检测样品中微塑料的种类和含量，采用普通质谱电离手段微塑料是无法被电离的，它本身相较于分子而言是一个大的颗粒物，所以，微塑料的分析通常是需要一个比较复杂的样品预处理流程，耗时费力，不能现场检测和原位分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用等离子体电离质谱技术，对环境样品(如土壤、水、大气气溶胶)等中的微塑料样本进行定性和定量分析，实现一种无需样品预处理和预分离的原位快速检测样本中微塑料成分和含量的办法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法，包括等离子体炬管和样品承载组件，所述样品承载组件设置于质谱仪的离子传输管的入口处，所述离子传输管呈水平设置，所述等离子体炬管倾斜设置于所述离子传输管所在的竖直平面上，所述等离子体炬管的开口端朝下并朝向离子传输管的入口，以使等离子体焰炬对样品承载组件上的样品进行降解电离而获得的产物离子能够顺利进入离子传输管的入口，所述微塑料原位检测方法包括如下步骤：
S1、建立数据库，采集常见微塑料降解产物的种类和数量，建立微塑料降解反应的指纹谱图库；
S2、样品提供，将样品通过样品承载组件放置于等离子体炬管和离子传输管之间并且调整好等离子体炬管、样品承载组件以及离子传输管之间的距离；
S3、通入载气，开启等离子体电离源，激发产生等离子体，令等离子体炬管产生等离子体焰炬，使得微塑料进行降解；
S4、微塑料降解后的产物被等离子体电离，产生产物的离子，产物的离子经离子传输管的入口进入质谱仪；
S5、打开质谱仪进行检测，通过采集到的产物的离子与指纹谱图库进行对比，即可判断出该样品中存在多少种微塑料。
作为本发明的一种优选实施例：所述等离子体电离源为微波等离子体电离源或低温等离子体电离源。
上述技术方案中，微波等离子体电离源具有较高的电离和分解程度，能够在高气压下维持等离子体，电子温度和离子温度对中性气体温度之比非常高，运载气体保持合适的温度，安全因素高；低温等离子体电离源为介质阻挡放电方式形成的低温等离子体电离源，介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎和所有的气体分子作用，反应快且不受气速限制，操作简单，启停迅速。
作为本发明的一种优选实施例：所述等离子体电离源激发产生等离子体的载气为惰性气体。
作为本发明的一种优选实施例：所述惰性气体为氩气或氦气。
作为本发明的一种优选实施例：所述等离子体电离源激发产生等离子体的载气为氮气、氧气或空气。
作为本发明的一种优选实施例：所述样品为固态样品或液态样品。
作为本发明的一种优选实施例：所述样品承载组件为载物台，固态样品或液态样品放置于载物台的表面。
作为本发明的一种优选实施例：所述样品为气态样品或气溶胶样品。
作为本发明的一种优选实施例：所述样品承载组件为气态样品引入管。
本发明公开了一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、所测样品无需进行任何样品预处理，用等离子体电离源电离样品后直接进行质谱分析，微塑料颗粒会等离子体中会裂解产生酮类、醇类以及有机酸类和脂类等物质，裂解产物的成分与微塑料种类有关，且与产生等离子体的气体有关，用质谱仪对产物离子的种类进行分析和数据对比等操作，即可实现对复杂样品中的微塑料的种类和含量进行定性定量分析，样品数据采集过程可在数秒内完成，并实现多次重复；
2、所测对象可以是液态、固态或者气态形式，可适用性广；
3、等离子体电离源可采用微波等离子体电离源或介质阻挡放电等形势形成的低温等离子体电离源，可选择性强；
4、载气可以采用氩气、氦气等惰性气体，也可以是氮气、氧气或者空气直接激发，十分便利；
5、本技术方案分析速度快，操作步骤简单，能够提高样品检测通量，或者亦可在现场进行直接实时分析，有利于对大区域范围内的大量环境样品的筛查和调研。
附图说明
图1为本发明的实施例一的结构示意图，用于表现固态样品或液态样品的原位检测。
图2为本发明的实施例二的结构示意图，用于表现气态样品的原位检测。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
其中：1、等离子体炬管；2、样品承载组件；3、质谱仪；4、离子传输管；5、等离子体焰炬；6、样品。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例一：
请参阅图1所示，一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法，包括等离子体炬管1和样品承载组件2，所述样品承载组件2设置于质谱仪3的离子传输管4的入口处，所述离子传输管4呈水平设置，所述等离子体炬管1倾斜设置于所述离子传输管4所在的竖直平面上，所述等离子体炬管1的开口端朝下并朝向离子传输管4的入口，以使等离子体焰炬5对样品承载组件2上的样品6进行降解电离而获得的产物离子能够顺利进入离子传输管4的入口，所述微塑料原位检测方法包括如下步骤：
S1、建立数据库，采集常见微塑料降解产物的种类和数量，建立微塑料降解反应的指纹谱图库；
S2、样品提供，将固态样品或液态样品通过样品承载组件放置于等离子体炬管和离子传输管之间并且调整好等离子体炬管、样品承载组件以及离子传输管之间的距离；
S3、通入载气，开启等离子体电离源，激发产生等离子体，令等离子体炬管产生等离子体焰炬，使得微塑料进行降解；
S4、微塑料降解后的产物被等离子体电离，产生产物的离子，产物的离子经离子传输管的入口进入质谱仪；
S5、打开质谱仪进行检测，通过采集到的产物的离子与指纹谱图库进行对比，即可判断出该样品中存在多少种微塑料。
值得注意的是，上述实施例中，所述样品承载组件为载物台，固态样品或液态样品放置于所述载物台上。
实施例二：
参阅图2所示，一种基于等离子体电离质谱技术的微塑料原位检测方法，包括等离子体炬管1和样品承载组件2，所述样品承载组件2设置于质谱仪3的离子传输管4的入口处，所述离子传输管4呈水平设置，所述等离子体炬管1倾斜设置于所述离子传输管4所在的竖直平面上，所述等离子体炬管1的开口端朝下并朝向离子传输管4的入口，以使等离子体焰炬5对样品承载组件2上的样品6进行降解电离而获得的产物离子能够顺利进入离子传输管4的入口，所述微塑料原位检测方法包括如下步骤：
S1、建立数据库，采集常见微塑料降解产物的种类和数量，建立微塑料降解反应的指纹谱图库；
S2、样品提供，将气态样品通过样品承载组件放置于等离子体炬管和离子传输管之间并且调整好等离子体炬管、样品承载组件以及离子传输管之间的距离；
S3、通入载气，开启等离子体电离源，激发产生等离子体，令等离子体炬管产生等离子体焰炬，使得微塑料进行降解；
S4、微塑料降解后的产物被等离子体电离，产生产物的离子，产物的离子经离子传输管的入口进入质谱仪；
S5、打开质谱仪进行检测，通过采集到的产物的离子与指纹谱图库进行对比，即可判断出该样品中存在多少种微塑料。
值得注意的是，上述实施例中，所述样品承载组件为气态样品引入管，气态样品或气溶胶样品从气态样品引入管的底部开口引出至气态样品引入管的顶部开口，从而进行电离。
上述实施例一和实施例二中，关于建立数据库，由于不同微塑料产物种类不同，而且激发等离子体的气体不同产生的降解也不同，由此，我们就需要建立一个数据库，就是将所有常见的几类微塑料，事先采集其降解产物的种类和数量，建立微塑料降解反应的指纹谱图库，实际检测时，通过数据库对比，即可判断出该样品中有多少种微塑料的存在，从而实现反推这个微塑料到底是哪种塑料，从而定性，根据信号响应的强度，来定量。
上述实施例一和实施例二中，等离子体降解微塑料产生降解产物，然后电离降解产物，得到的是降解产物的谱图，根据降解产物的检测结果，依靠数据库来倒推。
上述实施例一和实施例二中，所述等离子体电离源为微波等离子体电离源或低温等离子体电离源。
上述实施例一和实施例二中，所述等离子体电离源激发产生等离子体的载气为惰性气体，惰性气体优选氩气或氦气。
上述实施例一和实施例二中，所述等离子体电离源激发产生等离子体的载气为氮气、氧气或空气。
上述实施例二中，气态样品为原本就是气态的样品(如空气)或者是采用顶空进样的方式在固态样品和液态样品上得到的气溶胶样品。
此外，需要注意的是，经研究发现，等离子体可以使微塑料降解，产生小分子，由此采用了实施例一和实施例二的微塑料原位检测方法，在等离子体电离源内，首先是微塑料发生降解，然后降解产物被等离子体电离，产生产物的离子，离子进入质谱仪被分析和检测；微塑料颗粒会在等离子体中裂解产生酮类、醇类以及有机酸类和脂类等物质，裂解产物的成分与微塑料种类有关，且与产生等离子体的气体有关，用质谱仪对产物离子的种类进行分析和数据对比等操作，即可实现对复杂样品中的微塑料的种类和含量进行定性定量分析，样品数据采集过程可在数秒内完成，并实现多次重复。
最后，关于本技术方案所采用的等离子体炬管、质谱仪、离子传输管、等离子体焰炬均为现有技术，本领域技术人员可根据实际需求选用，等离子体焰炬是当在感应线圈上施加高频电场时，由于某种原因(如电火花等)在等离子体工作气体中部分电离产生的带电粒子在高频交变电磁场的作用下做高速运动，碰撞气体原子，使之迅速、大量电离，形成雪崩式放电，电离的气体在垂直于磁场方向的截面上形成闭合环形的涡流，在感应线圈内形成相当于变压器的次级线圈并同相当于初级线圈的感应线圈耦合，这种高频感应电流产生的高温又将气体加热、电离，并在管口形成一个火炬状的稳定的等离子体焰矩。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：微生物分析方法