要認識因塑料垃圾，特別是微塑料而造成的環境污染的種類和程度，需要借助科學的幫助來呈現事實情況。采用熱解吸氣相色譜-質譜聯用儀(GC/MS)可以在表征可疑微塑料顆粒時提供助力。
在2013年的國際海岸清潔活動[1]中，648015名志愿者沿著一段約20783千米的海岸共收集到了超過5500噸的垃圾。十種最常被發現的垃圾如下：煙蒂(913噸)，糖果紙(794噸)，塑料瓶(426噸)，塑料瓶蓋(385噸)，塑料吸管(252噸)，超市用塑料購物袋(200噸)，玻璃瓶(179噸)，其他塑料袋(176噸)，紙袋(167噸)，飲料罐(154噸)。這些所收集到的數據雖然沒法直接得出逐年來實際進入海洋中垃圾的量，但是人們可以從中看出情況惡化的冰山一角。然而確切的說人們有以下這樣一個假設：塑料廢棄物屬于最主要的環境污染源之一。持有這一觀點的不僅僅是一些環境組織，同樣塑料工業界及政策界也在其中看到了采取行動的必要性。在此期間不論在國內或者國際的不同層面上都采取了靈活的措施，從要求付責任的使用聚合物原料及產品，到研究開發有效的回收處理及再利用的方案計劃。許多項目及措施都已被延展于具體的生活中，人們愿意借此來正面應對和解決這樣的問題[2-4, 14, 15]。同時人們也將關注聚焦于內陸水體上，比如河流、湖泊，這些水體今天看起來也都已經受到了嚴重的影響[5-8, 16]。然而若想取得長期的成功，還需要基于可靠分析數據的強有力的策略。因為迄今為止人們所了解的關于塑料材料廢棄物的在自然環境中的運輸路徑、變化過程、作用影響和殘留的知識還太少。與此相應關于微塑料顆粒的研究得到了科學家們特別的注意。
細微顆粒物所帶來的問題
聚合物是非常堅固耐用的工業產物，雖然能夠接受太陽光的能量輻射，化學及機械影響，但取決于其化學結構，幾乎無例外的都難以溶解或者完全分解消失。一塊人工合成塑料會不斷粉碎成更細小的顆粒并可能引起損傷。
微塑料顆粒經常因為其極小約幾微米到幾毫米的尺寸以及無規律的形態、顏色被在水中生活的生物體或海鳥混淆當做食物而被吃掉，為此人們曾一再多次的推算調查這些動物及生物體的死亡與此的聯系。此時這些微塑料顆粒含有有害健康的添加劑，它們可能儲存富集著來自于環境中的諸如殺蟲劑，重金屬及其他有毒物質。微塑料因此也可以對我們站在食物鏈末端的人類造成危害，比如這些被污染的海鮮有可能會進入到我們的餐盤。按照旨在有效保護海洋空間的歐盟《海洋戰略框架指令》(MSFD)[12]，必須測量和表征這些海洋環境中的微顆粒，特別是微塑料顆粒的種類和組成。來自奧斯納布呂克大學和達姆施塔特大學的科學家們已經在旗上簽名共同號召人們完成這樣的目標，在多個框架性研究中埃爾克·弗里斯(Elke Fries)等人在坐落于東弗里斯蘭島諾德奈北部一段海灘上多個地點取樣，并在砂石樣品中提取了微塑料顆粒進行調查。為了確定人工合成塑料材料的種類和所含有機物添加劑，他們(按照自己的說法，完全作為第一批研究此領域的科學家)在所描述的條件下成功利用熱解吸氣相色譜及質譜法(GC/MS)對所獲樣品進行了檢測[10](也見[11, 12])。
如弗里斯等人所描述，光譜方法主要提供結構和組成的解析以及人工合成塑料材料的鑒別。為了確定塑料矩陣中的有機物添加劑人們經常利用超臨界流體萃取法，索氏提取法，以及針對有限溶解或難溶，難提取、難水解聚合物的熱分析技術。
技術和應用性細節一覽
在獲取大分子的有效結構信息以及確定熱力學分解產物和熱解斷裂碎片時，熱解吸氣相色譜及質譜(GC/MS)能夠被證明為正確的儀器選擇[13]。在串行熱解氣相色譜/質譜法聯用時首先將樣品中揮發性化合物在低溫下萃取，接著將同一樣品通過提溫進行熱解;理想情況下系統無需改變。因此弗里斯等人成功地將各種有機物添加劑在一個分析流程中逐個、逐步地萃取并獲得了一定的材料結構有用信息，這可通過塑料種類以及關鍵成分分析來證明。
在采取此分析方法時科學家們應用了一臺配備格斯特爾冷卻噴射系統(KAS)的GC
7890型氣相色譜儀(安捷倫科技)，其上安裝一組格斯特爾熱吸附系統(TDS)，并配備了準確適用的TDS熱解吸模塊(格斯特爾PM1)，這樣的設備組裝適用于揮發性化合物熱吸附及與上同一樣品熱解吸的手動操作程序。如果有更大的樣品轉化量需求，利用自動化程序更方便高效，并且可通過采用格斯特爾多功能采樣器(MPS)結合格斯特爾熱脫附組件單元(TDU)以及格斯特爾熱解吸模塊來實現。
圖1.一個發出紅色熒光的水蚤中所含塑料微粒，熒光顯微鏡下可視圖像。
弗里斯等所采取的實驗步驟如下：每次將一個微粒導入熱解吸樣品管，首先在熱吸附系統(TDS)中從40℃按10℃/分鐘的速度升溫到350℃(恒溫10分鐘);此時出現來自于塑料矩陣的揮發性化合物。分析物的冷阱富集系統在冷噴射系統(KAS)中-50℃下進行;溫控程序后[-50℃ - 12℃/分鐘 - 280℃(恒溫3分鐘)]導入氣相色譜儀色譜柱中并得出色譜圖。氣相色譜儀采用柱長30米，內徑250微米及膜厚0.25微米的HP-5MS型色譜柱。柱溫箱程序升溫 [40℃ - 15℃ /分鐘 - 180℃ - 5℃/分鐘 - 300℃(12分鐘)]。載氣為氦氣(He)。
在測定易揮發及難揮發化合物之后進行與上同一樣品的熱解及熱解圖的繪制。準備過程中TDS熱吸附系統從60℃(恒溫1分鐘)按照180℃/分鐘速度升溫到350℃。熱解吸在PM1模塊中700℃(恒溫1分鐘)下進行。熱解產生碎片隨載氣氣流進入已用液氮冷卻的冷噴射系統中，通過冷阱富集并降溫后進入氣相色譜儀。揮發性成分的質量選擇性檢測(色譜圖)以及熱解碎片組分(熱解吸圖)通過安捷倫科技公司的MS 5975C型質譜儀得出。
圖2. 串行熱解氣相色譜/質譜聯用體系，配備特殊PM1模塊，熱脫附單元TDU及多功能取樣器MPS。
有用信息的有效獲取
借助于已有的質譜數據庫以及所檢測標準物的保留時間和質譜圖對比，弗里斯等人成功地鑒別出在諾德奈所取微塑料顆粒中含有的塑料添加劑成分，即增塑劑(鄰苯二甲酸酯;鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯DEHP, 鄰苯二甲酸二丁酯DBP，鄰苯二甲酸二乙酯DEP，鄰苯二甲酸二異丁酯DIBP，鄰苯二甲酸二甲酯DMP)，抗氧化劑如2,4-二叔丁基苯酚以及芳香化合物如苯甲醛，經常作為芳香材料在化妝品和聚合物中添加。科學家們通過對比所獲得圖譜與標準聚合物熱解吸圖譜相對比從而得出微塑料顆粒中無法識別的塑料種類。此過程中鑒別出了聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)，聚酰胺(PA)以及氯化和硫氯化聚乙烯。按照科學家們的說法串行熱解吸氣相色譜/質譜聯用法具有高敏感度，能夠鑒別出微塑料顆粒中質量小于350微克的增塑劑，抗氧化劑和芳香材料。借助于此方法可以進行由這些塑料添加劑所帶來的化學的、毒性的或者激素分泌平衡的健康風險的檢測和評估。
圖3.互相疊加熱解圖譜反映了標準聚合物和環境樣品中所含聚合物的熱解吸對比（見圖右上方題注）。
埃爾克·弗里斯(Elke Fries)博士說道：“串行熱解吸氣相色譜/質譜聯用法可以在符合歐盟海洋戰略框架條例下被各國應用于海洋監測和微塑料顆粒的化學組成測定。 ”
熱解吸氣相色譜/質譜法用于塑料添加劑
為了驗證海洋塑料微粒中的有機物塑性添加劑以及鑒別相應的聚合物種類，串行熱解吸氣相色譜/質譜聯用法與傳統的溶劑萃取法相比是一種更優良的手段，能夠在同一個流程中同時將聚合物種類和所含有機添加劑進行檢測分析。在此過程中不需要添加任何溶劑，因此圖譜的背景干擾也不再是問題。由同一樣品在一個分析流程中首先得到揮發化合物的色譜圖，然后是熱解碎片的無背景干擾熱解吸圖譜，這要歸功于之前的熱脫附步驟，其已將有潛在干擾的化合物分離出去。