一種製備顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料的方法與流程

2023-10-30 12:08:37

本發明涉及一種製備顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料的方法，所製備的微塑料用於定性、定量分析不同形狀的微塑料在環境介質和生物體內的分布和富集規律，可廣泛用於各類微塑料的生態環境風險研究，屬於高分子材料製備領域。

背景技術：

微塑料是指直徑小於5mm的塑料顆粒。由於塑料產量逐年增加且其本身難以降解，導致塑料汙染已經成為海洋中的一大難題。紫外輻射和機械磨損可以將塑料降解成小尺寸的微塑料，微塑料的潛在環境健康風險越來越受到重視。文獻研究發現，在實際環境和生物體檢測中發現，微塑料的形狀多種多樣，主要有纖維(棒狀)，顆粒，片狀，球形。來自漁網，繩索或衣服的塑料微纖維是水體中微塑料的普遍類型，其次是不規則形狀的塑料碎片，顆粒和薄膜。受限於材料的獲取，現階段對微塑料的毒性研究主要針對球形，但是球形作為一個規則且非主要存在的微塑料不具代表性，因而有必要考察不同形狀對微塑料在生物組織內富集分布和毒效應的影響。

材料的製備是不同形狀微塑料研究的一項重要內容。目前普遍存在的製備材料的方法是，研磨，剪切，環境採樣和從日常護理品中提取。這些方法所得的微塑料(1)粒徑不均一，大小千差萬別；(2)螢光強度弱，無法使用分子螢光光譜儀定量；(3)由於尺寸較大而不能被生物富集。且現有的方法費時費力，效率不高。

為了更好地研究微塑料在環境和生物體內的富集分布，評價微塑料的生態環境風險。本發明提供了一種快速製備不同形狀的微塑料的方法，該方法所得到的微塑料相對均一，螢光強度較強，尺寸適合生物富集實驗的需要，而且該方法可操作性強，效率高。

技術實現要素：

發明目的：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，現階段關於微塑料毒性研究中使用形狀均一的塑料微球不能很好地模擬環境中不同形狀的微塑料的現狀，提供一種製備顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料的方法，通過密煉法和粉碎法製備。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種製備顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料的方法，包括如下步驟：

(1)螢光標記：將塑料與染料混合，通過常規的密煉工藝，將染料與塑料混合後倒入轉矩流變儀的給料口，在適當的溫度下使得染料標記到塑料上；

(2)壓片：將步驟(1)得到的螢光標記的塑料其中一部分螢光標記的塑料進行壓片使其厚度為8～12μm；

(3)粉碎：使用高速粉碎機粉碎上述步驟(1)和步驟(2)得到的兩種螢光標記的塑料，分別得到顆粒狀和薄片狀的螢光標記微塑料；

(4)過濾篩分：用溶劑分散步驟(3)得到的微塑料，採用尼龍濾網抽濾，分別得到不同粒徑範圍內的顆粒狀和薄片狀的螢光標記微塑料。

其中，步驟(1)所述密煉工藝可採用轉矩流變儀或者密煉機，優選轉矩流變儀，密煉溫度為180～190℃，時間為5～8min；所述染料為脂溶性染料，優選thioindigo系染料；所述塑料為聚苯乙烯塑料(ps)、聚乙烯塑料(pe)、聚對苯二甲酸塑料(pet)和聚丙烯塑料(pp)中的一種或多種；所述染料與塑料混合的質量比為1:10～1:25。

其中，步驟(2)所述壓片採用平板硫化機，溫度為160～180℃，壓力為3～5mpa，單次壓片所用螢光標記的塑料質量為80～100mg；所述需要做壓片處理的螢光標記的塑料佔步驟(1)得到的螢光標記的塑料總質量的10～90％。

其中，步驟(3)採用高速粉碎機粉碎塑料，根據粉碎效果確定時間為3～5min，粉碎的次數≥3次。

其中，步驟(4)採用超聲分散，強度為40～50khz，時間為5～8min；所述溶劑選自水或水與表面活性劑以適當比例混合的混合液中的任意一種；所述表面活性劑為吐溫20、吐溫40或吐溫60中的一種。

根據想要得到的不同粒徑範圍的微塑料選用合適孔徑的尼龍濾網，所述尼龍濾網選自孔徑為50μm、40μm、30μm、20μm或10μm中的任意一種或多種。

採用以上製備方法所製備得到的顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料也在本發明的保護範圍中。

採用以上製備方法所製備得到的顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料在研究微塑料在環境中和生物體內的富集分布的應用。

有益效果：

1、本申請所得到的微塑料螢光強度較強，且大小，形狀相對均一，便於使用螢光顯微鏡和分子螢光光譜儀定性、定量分析不同形狀的微塑料在環境介質和生物體內的分布和富集規律，可廣泛用於各類微塑料的生態環境風險研究。

2、本申請採用的方法操作簡單、方便、快捷，尤其與用剪刀手工剪切塑料纖維的繁重工作量相比更高效。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做更進一步的具體說明，本發明的上述和/或其他方面的優點將會變得更加清楚。

圖1為本發明技術路線圖。

圖2為通過密煉工藝螢光標記的聚苯乙烯的成品圖。

圖3為螢光標記聚苯乙烯壓片後的成品圖。

圖4為螢光顯微鏡下顆粒狀螢光標記微塑料的效果圖。

圖5為顆粒狀螢光微塑料的粒徑分布圖。

圖6為顆粒狀螢光微塑料溶液在550nm下的激發光譜圖。

圖7為顆粒狀螢光微塑料溶液的標準曲線圖

圖8為顆粒狀螢光微塑料在斑馬魚組織內的含量圖。

具體實施方式

下面結合具體實施事例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。以下實施例中，轉矩流變儀型號為haakepolylabosrheodrive7，產自thermoelectron(karlsruhe)gmbh；染料thioindigo購自阿達瑪斯試劑有限公司；平板硫化機型號為gt-7014-p30c，產自高鐵檢測儀器有限公司；高速粉碎機型號為se-250g，產自上海轉轉電器有限公司；超聲分散機型號為kh7200de，產自崑山禾創超聲儀器有限公司。圖1是本發明技術路線圖。

實施例1

顆粒狀和薄片狀的聚苯乙烯螢光標記微塑料的製備：

(1)一次性將48g聚苯乙烯顆粒與1.92gthioindigo染料混合，注入轉矩流變儀的給料口，設定溫度為190℃，時間為5min，將聚苯乙烯進行螢光標記，所得的螢光標記的聚苯乙烯，如圖2所示；

(2)每次取步驟(1)所得的螢光標記的聚苯乙烯約100mg，置於平板硫化機上進行壓片，設定溫度為180℃，壓力為5mpa，將其壓成厚度為10μm的片狀塑料，如圖3所示；

(3)使用高速粉碎機粉碎上述步驟(1)和(2)得到的兩種螢光標記的聚苯乙烯，粉碎4次，每次粉碎5min，分別得到顆粒狀的和薄片狀的聚苯乙烯螢光微塑料；

(4)利用超聲作用使得兩種微塑料在水中分散好，超聲強度為40khz，時間5min，分別用50μm，30μm，10μm的尼龍濾網抽濾，得到粒徑範圍在10～30μm的顆粒狀(如圖4所示)和薄片狀的聚苯乙烯螢光標記微塑料。

實施例2

顆粒狀和薄片狀的聚乙烯螢光標記微塑料的製備：

(1)一次性將48g聚乙烯顆粒與3.6gthioindigo染料混合，注入轉矩流變儀的給料口，設定溫度為180℃，時間為6min，將聚乙烯進行螢光標記，所得的螢光標記的聚乙烯；

(2)每次取步驟(1)所得的螢光標記的聚乙烯約80mg，置於平板硫化機上進行壓片，設定溫度為160℃，壓力為4mpa，將其壓成厚度為8μm的片狀塑料；

(3)使用高速粉碎機粉碎上述步驟(1)和(2)得到的兩種螢光標記的聚乙烯，粉碎3次，每次粉碎3min，分別得到顆粒狀的和薄片狀的聚乙烯螢光微塑料。

(4)利用超聲作用使得兩種微塑料在水和0.0001％的吐溫60混合液中分散好，超聲強度為50khz，時間8min，分別用40μm，20μm，10μm的尼龍濾網抽濾，得到粒徑範圍在10～20μm的顆粒狀和薄片狀的聚乙烯螢光標記微塑料。

實施例3

顆粒狀和薄片狀的聚丙烯螢光標記微塑料的製備：

(1)一次性將48g聚丙烯顆粒與4.8gthioindigo染料混合，注入轉矩流變儀的給料口，設定溫度為190℃，時間為8min，將聚丙烯進行螢光標記，所得的螢光標記的聚丙烯；

(2)每次取步驟(1)所得的螢光標記的聚丙烯約90mg，置於平板硫化機上進行壓片，設定溫度為180℃，壓力為3mpa，將其壓成厚度為12μm的片狀塑料；

(3)使用高速粉碎機粉碎上述步驟(1)和(2)得到的兩種螢光標記的聚丙烯，粉碎5次，每次粉碎4min，分別得到顆粒狀的和薄片狀的聚丙烯螢光微塑料。

(4)利用超聲作用使得兩種微塑料在水與0.0002％的吐溫20混合液中分散好，超聲強度為50khz，時間6min，分別用50μm，30μm，20μm的尼龍濾網抽濾，得到粒徑範圍在20～30μm的顆粒狀和薄片狀的聚丙烯螢光標記微塑料。

實施例4

顆粒狀聚苯乙烯螢光標記微塑料在生物體內的富集規律實驗：

確定粒徑分布：在螢光顯微鏡下統計實施例1製備得到的顆粒狀聚苯乙烯螢光標記微塑料的粒徑分布，得到粒徑在0～10μm約佔12％，10～20μm約佔37％，20～30μm約佔33％，30～40μm約佔13％，40～50μm約佔5％，如圖5所示。

確定激發波長與發射波長：利用螢光光譜儀測得顆粒狀微塑料懸浮液的發射波長和激發波長分別為550nm和584nm，如圖6所示。

染毒實驗：以製備好的螢光標記的顆粒狀微塑料做為受試物，受試動物為成熟健康的斑馬魚(daniorerio，5月齡，0.29±0.022g)，隨機分為染毒組和對照組，每組包含3個平行，每個平行使用5條魚，染毒周期為：3天吸收階段+3天清除階段。對照組使用紫外消毒的曝氣自來水，染毒組使用已經製備好的螢光標記的顆粒狀微塑料，用與對照組一致的紫外消毒曝氣自來水配置20mg/l微塑料懸浮液體系先暴露3天(吸收階段)，後轉移至與對照組一致的紫外消毒曝氣自來水再暴露3天(清除階段)。其他實驗條件如下：溫度：24±1℃，ph：7.2±0.5，溶解氧：6.6±0.3mg/l，電導率：0.256±0.005ms/cm，硬度：185±9mg/lcaco3。

樣品採集：6天後，解剖染毒組和對照組斑馬魚，採集目標組織器官(肝、腸)，每個平行中5條魚的組織混合作為一個樣，冷凍乾燥72h稱乾重，並做好記錄。

組織消解：將乾燥組織置於1ml濃硝酸中，70℃消解2h後用超純水定容至5ml，得到待測樣品溶液。

標準曲線：配置不同濃度梯度的螢光微塑料溶液，採用螢光光譜儀，設置激發波長和發射波長為550nm和584nm，測定各溶液的螢光強度，繪製標準曲線，如圖7所示。樣品測定：在550nm和584nm的激發和發射波長下，測定待測樣品溶液的螢光強度，根據標準曲線計算相應濃度，濃度乘上定容後體積得到微塑料量。

含量換算：將得到的微塑料量與對應的組織乾重作比，換算得到單位質量組織中微塑料的含量；其中染毒組樣品的結果要扣除空白對照組背景值，結果得到最終結果，即顆粒狀微塑料在斑馬魚組織中的富集量。繪製顆粒狀聚苯乙烯螢光標記微塑料在斑馬魚組織中隨時間的吸收與清除曲線，如圖8所示。

本發明提供了一種製備顆粒狀和薄片狀螢光標記微塑料的方法的思路及方法，具體實現該技術方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。