食品中微塑膠檢測
NIR・FTIR・Raman・Py-GC-MS・LC-MS
今天你會學到
- 食品中微塑膠的來源、種類與健康疑慮
- 三種振動光譜各自的偵測極限與應用場景
- Py-GC-MS、TED-GC-MS 如何進行質量定量
- LC-MS 在塑化劑、寡聚物、添加劑分析的角色
- 如何依樣品特性與目標選擇正確方法
課程內容
- 微塑膠 101：定義、來源、樣品前處理
- 振動光譜：NIR、FTIR、Raman
- 質譜技術：Py-GC-MS、LC-MS
- 方法整合與決策樹
- 總結與 Exit Ticket
暖身：你覺得「成年人每週平均吃進」多少微塑膠？
研究結果
Senathirajah et al. (2021) 系統性回顧估計：成年人每週攝入 0.1–5 g（中位數 0.7 g/週）微塑膠，相當於一張信用卡的塑膠量。瓶裝水比自來水高 3–4 倍。
Senathirajah K. et al. (2021) J Hazard Mater 404:124004.
什麼是微塑膠？
微塑膠 (Microplastics, MP)：粒徑 < 5 mm 的塑膠顆粒（由 NOAA / GESAMP 定義；歐盟提案 1 μm – 5 mm）。
奈米塑膠 (Nanoplastics, NP)：粒徑 < 1 μm（或 < 100 nm 嚴格定義），來自微塑膠的進一步破碎或產品中的奈米添加。
原生 (Primary) MP
製造時就以微小顆粒形式生產：去角質磨砂膏、牙膏、工業樹脂粒、車輛輪胎屑、化妝品。
次生 (Secondary) MP
大塑膠在環境中受光、熱、機械力分解：保特瓶碎片、漁網碎屑、農膜降解、衣物纖維洗滌脫落。
Cole M. et al. (2011) Microplastics as contaminants in the marine environment: a review. Mar Pollut Bull 62:2588–2597.
食品中最常被檢出的塑膠類型
| 縮寫 | 名稱 | 密度 (g/cm³) | 食品場景 | 特徵指紋 |
|---|---|---|---|---|
| PE | 聚乙烯 | 0.91–0.96 | 食品袋、保鮮膜、瓶蓋 | FTIR: 2915/2848/1463/720 |
| PP | 聚丙烯 | 0.90–0.91 | 微波容器、優格杯、茶包 | FTIR: 2950/1455/1377/998 |
| PET | 聚對苯二甲酸乙二酯 | 1.37 | 瓶裝水、即飲茶、油瓶 | FTIR: 1715/1240/1090/720 |
| PS | 聚苯乙烯 | 1.04–1.10 | 免洗餐具、發泡盒、優格杯 | FTIR: 3025/1601/1493/696 |
| PVC | 聚氯乙烯 | 1.16–1.45 | 保鮮膜（部分）、輸送管 | FTIR: 1426/1330/690 (C-Cl) |
| PA | 耐隆 (Nylon) | 1.13–1.15 | 茶包、烹飪袋、漁網碎屑 | Py-GC-MS: 己內醯胺 (PA6) |
| PC | 聚碳酸酯 | 1.20 | 奶瓶、5 號桶 | LC-MS: BPA 寡聚物 |
密度資訊很重要：將決定後續密度浮選使用哪種鹽溶液（NaCl 1.2、NaI 1.6、ZnCl₂ 1.7、NaBr 1.4）。
食品中微塑膠的暴露途徑
水與飲料
- 瓶裝水：325 顆/L（中位數，Mason 2018）
- 自來水：5.5 顆/L
- 啤酒、即飲茶亦有偵測
海鹽與調味料
- 海鹽：550–681 顆/kg（Yang 2015）
- 湖鹽、岩鹽含量較低
- 主要為 PET、PE、PP
海鮮與貝類
- 淡菜：0.36 顆/g 軟組織
- 牡蠣、蛤蜊吸收水中懸浮 MP
- 多數位於消化道
包裝遷移與沖泡
- 塑膠茶包（PA / PET）：每杯釋出 ~11.6 億顆 NP（Hernandez 2019）
- 嬰兒奶瓶（PP）80°C 沖泡：1.6 × 10⁶ 顆/L（Li 2020）
Hernandez LM. et al. (2019) Plastic Teabags Release Billions of Microparticles and Nanoparticles into Tea. Environ Sci Technol 53:12300–12310.
為什麼食品分析師要在乎？
顆粒本身效應
- 奈米塑膠可跨越腸壁，在血液、胎盤、肝、腎被檢出
- 細胞層級：氧化壓力、發炎反應、粒線體功能改變
- Leslie HA. et al. (2022) 首次在人類血液檢出 MP
化學物質帶入
- 塑化劑：鄰苯二甲酸酯類（DEHP、DBP）— LC-MS 分析
- 雙酚 A (BPA)：內分泌干擾
- 抗氧化劑、紫外光穩定劑：苯酚類添加物
- 環境吸附的多氯聯苯 (PCBs)、農藥殘留可被 MP 載運
Leslie HA. et al. (2022) Discovery and quantification of plastic particle pollution in human blood. Environ Int 163:107199.
樣品前處理：分析前最關鍵的一步
錯誤的前處理會：① 破壞塑膠本身、② 引入背景污染、③ 干擾光譜判讀。前處理品質決定一切。
| 步驟 | 目的 | 常用方法 | 注意事項 |
|---|---|---|---|
| 1. 取樣 | 避免空氣污染 | 玻璃容器、鋁箔覆蓋、無棉質實驗衣 | 全程設程序空白組 |
| 2. 有機物消化 | 移除蛋白、油脂 | KOH 10%、H₂O₂ 30%、Fenton、酵素 | 避免高溫破壞 PA、PET |
| 3. 密度分離 | 分離塑膠與礦物 | NaCl(1.2)、NaI(1.6)、ZnCl₂(1.7) | NaCl 無法浮起 PET/PVC |
| 4. 過濾 | 收集顆粒於濾膜 | Anodisc、Si filter、Au-coated | 濾膜材質須相容後續儀器 |
| 5. 鑑定/定量 | 得到化學身份 | FTIR / Raman / Py-GC-MS | 定量單位：顆數 vs 質量 |
Prata JC. et al. (2019) Methods for sampling and detection of microplastics in water and sediment: A critical review. TrAC 110:150–159.
分析 100 g 鮮魚消化道內的微塑膠，哪種消化方法最適合？
為什麼？
- A 不行：濃硝酸會強烈破壞 PA、PS 等塑膠，使顆粒變色、變形甚至溶解，扭曲後續鑑定結果。
- B 最佳：10% KOH 在 40°C 對魚組織有良好消化效率（> 90%），且對 PE、PP、PET、PS 等常見塑膠相對溫和。Karami et al. (2017) 的標準操作流程之一。
- C 無效：水無法消化蛋白與油脂。
- D 有疑慮：高溫 H₂O₂ 會使 PA 變色、PET 機械強度下降；若需 H₂O₂ 建議室溫長時間消化。
Karami A. et al. (2017) A high-performance protocol for extraction of microplastics in fish. Sci Total Environ 578:485–494.
密度分離溶液的選擇
常用浮選鹽溶液
| 溶液 | 密度 g/cm³ | 可浮塑膠 |
|---|---|---|
| NaCl 飽和 | 1.20 | PE、PP、PS |
| NaBr 飽和 | 1.40 | + PA、PMMA |
| NaI 飽和 | 1.60 | + PET、ABS |
| ZnCl₂ 飽和 | 1.70 | + PVC、POM |
| ZnBr₂ 飽和 | 1.71 | 幾乎全部 |
| 多鎢酸鈉 | 1.40–3.10 | 可調，價格高 |
選擇邏輯
- 只關心 PE/PP/PS：NaCl 經濟實惠，但會漏掉 PET、PVC
- 分析完整塑膠譜：建議 NaI 或 ZnCl₂
- ZnCl₂ 廢液有重金屬處理成本
- 奈米塑膠：密度分離效率差，常需場流分餾 (AF4) 或超離心
Schwaferts C. et al. (2019) Methods for the analysis of submicrometer- and nanoplastic particles in the environment. TrAC 112:52–65.
振動光譜原理：分子在「跳什麼舞」？
能量階層
分子吸收紅外光，振動能階從基態升到激發態。每種化學鍵（C–H、C=O、C–O、C–Cl）有特徵頻率。
中紅外區 (MIR) 約 4000–400 cm⁻¹；近紅外 (NIR) 約 12500–4000 cm⁻¹。
選律：吸收 vs 散射
- IR 活性：振動造成偶極矩變化 → C=O、O–H 強
- Raman 活性：振動造成極化率變化 → C=C、芳香環強
- 對稱中心分子兩者互補（mutual exclusion）
近紅外光譜 (NIR)：快速篩選的好朋友
原理
NIR 涵蓋 12500–4000 cm⁻¹（800–2500 nm），主要記錄 C–H、O–H、N–H 鍵的倍頻 (overtone) 與組合頻 (combination)。
峰寬大、訊號弱、解析度低 → 需化學計量學（PCA、PLS、SIMCA）建模辨識。
食品微塑膠中的角色
- 大尺寸塑膠 (> 1 mm) 分選回收線主流技術
- 大顆粒篩選：HSI (Hyperspectral Imaging) 1000–2500 nm
- 不適合 < 500 μm MP 分析
- 食品基質干擾大（水、油的 O–H、C–H 強吸收）
PE 在 NIR 的特徵：~1210、1410、1730 nm（C–H 第一倍頻），~2310 nm（C–H 組合頻）。本圖為實驗室自量數據，未做基線校正，因此 2300 nm 以後吸收急遽上升（樣品厚度與儀器響應）。
Serranti S. et al. (2018) The utilization of hyperspectral imaging for impurities detection in secondary plastics. Open Waste Manag J.
互動：NIR 適合哪一種情境？
請從以下情境選出 NIR 最合適的應用（可能不只一個正確答案，請選最佳）
解析
NIR 的核心優勢是快、無樣品破壞、可線上監測，但解析度與靈敏度都不如 FTIR / Raman。它最適合大型塑膠（mm 以上）的分選與成分篩選，例如回收業以高光譜成像 (HSI) 線上分選 PET、HDPE、PP。對於 ≤ 100 μm 的微塑膠或質量極低的樣本，NIR 的靈敏度不足。
傅立葉轉換紅外光譜 (FTIR)：微塑膠分析的「主力」
關鍵原理
- 光源（globar）→ 麥克生干涉儀 → 樣品 → 偵測器
- 記錄干涉圖 (interferogram)
- 傅立葉轉換 → 得到吸收光譜
- 同時量測所有波數 → Fellgett 多路訊噪比優勢
- 解析度可達 0.5 cm⁻¹
四種採樣模式
| 模式 | 適用 | 限制 |
|---|---|---|
| 透射 | 濾膜上小顆粒 | 濾膜須透 IR (Si/Anodisc) |
| ATR | 大顆粒 > 100 μm | 需接觸晶體 |
| 反射 | 金屬塗布濾膜 | 厚樣品有 RAB |
| 顯微 FTIR | 10 μm – mm 個別顆粒 | 慢、需聚焦 |
FTIR 的偵測極限與化學成像
顯微 FTIR (μ-FTIR) 與化學成像
傳統單點顯微 FTIR：偵測極限約 10–20 μm（受 IR 繞射極限限制）。
使用 FPA 偵測器（Focal Plane Array）可一次拍下 64 × 64 像素的化學影像，整個濾膜可自動掃描並進行化學分類（搭配 siMPle、PRIMPKE 等 open-source 軟體）。
QCL-IR：下一代技術
- 量子級聯雷射光源 (Quantum Cascade Laser)
- 強度高、可快速掃描，1 cm² 濾膜在 30 分鐘內完成
- 偵測極限可達 ~5 μm
O-PTIR (光熱紅外)
- 結合 IR 光源與可見光探針
- 突破繞射極限，可達 ~ 500 nm 空間解析度
- 同時可量 Raman，但儀器昂貴
Primpke S. et al. (2020) Critical assessment of analytical methods for the harmonized and cost-efficient analysis of microplastics. Appl Spectrosc 74:1012–1047.
PE 聚乙烯 FTIR
四特徵峰
- 2915：CH₂ 不對稱伸縮
- 2848：CH₂ 對稱伸縮
- 1463：CH₂ 剪式變角
- 720：CH₂ 搖動（HDPE 結晶會分裂為 730/720 雙峰）
食品應用
食品袋、保鮮膜、瓶蓋、塑膠袋。
密度 0.91–0.96 g/cm³，NaCl 即可浮選。
PP 聚丙烯 FTIR
特徵峰
- 2950 / 2917：CH₃ 與 CH₂ 伸縮
- 1455：CH₂ / CH₃ 變角
- 1377：CH₃ 對稱變角（區分 PE/PP 的關鍵）
- 998 / 974 / 840：骨架振動三聯峰
食品應用
微波容器、優格杯、塑膠茶包、嬰兒奶瓶（80°C 沖泡會釋出 MP）。
PET 聚對苯二甲酸乙二酯 FTIR
招牌峰群
- 1715：酯類 C=O 強吸收（PET 的招牌指紋）
- 1240：C–O–C 不對稱伸縮
- 1090：C–O 對稱伸縮
- 723：對位取代苯 C–H 變角
食品應用
保特瓶、即飲茶瓶、食用油瓶；海洋中的保特瓶碎片是海鹽 MP 主要來源。
PS 聚苯乙烯 FTIR
芳香環特徵
- 3025：芳香 C–H 伸縮
- 1601 / 1493：苯環骨架振動
- 696：單取代苯 C–H 面外變角（PS 招牌）
食品應用
免洗杯/碗、發泡盒、優格杯。發泡 PS 有額外發泡劑訊號。
PVC 聚氯乙烯 FTIR
C–Cl 鍵特徵
- 1426：CH₂ 變角
- 1255：CH–Cl 變角
- 690 / 614：C–Cl 伸縮（PVC 獨有指紋）
食品應用
部分保鮮膜、輸送管、紅色血袋；含大量塑化劑 DEHP/DBP（LC-MS 分析）。
五大塑膠 FTIR 特徵峰速查
| 塑膠 | 關鍵特徵峰 (cm⁻¹) | 歸屬 | 判讀重點 |
|---|---|---|---|
| PE | 2915, 2848, 1463, 720 | C–H 伸縮、CH₂ 變角/搖動 | 無 1377 |
| PP | 2950, 1455, 1377, 998 | CH₃ 變角、骨架 | 1377 區分 PE |
| PET | 1715, 1240, 1090, 723 | C=O、C–O、芳香 C–H | 1715 強峰 |
| PS | 3025, 1601, 1493, 696 | 芳香 C–H、苯環 | 696 招牌 |
| PVC | 1426, 1255, 690, 614 | CH–Cl、C–Cl | C–Cl 獨有 |
X 軸 Wavenumber 高→低為 FTIR 慣例；Y 軸穿透率，峰朝下＝吸收。圖譜依 Käppler 2018、Jung 2018 文獻峰位重建。
FTIR 圖譜辨識（一）：請判斷塑膠類型
判讀邏輯
- PE 正解：2915（CH₂ 不對稱伸縮）+ 2848（CH₂ 對稱伸縮）+ 1463（CH₂ 剪式變角）+ 720（CH₂ 搖動雙峰，分裂為 730/720 是 HDPE 結晶特徵）— 這是 PE 的「四特徵峰」。
- 不是 PP：PP 一定要看到 1377 cm⁻¹（CH₃ 對稱變角）與 998/974/840 cm⁻¹ 三個骨架峰。
- 不是 PET：缺少 1715 cm⁻¹ 強烈的 C=O 吸收。
- 不是 PS：缺少 3025 cm⁻¹ 芳香 C–H、1601/1493 苯環、696 cm⁻¹。
FTIR 圖譜辨識（二）：海鹽中分離的 80 μm 透明顆粒
判讀邏輯
- PET 正解：1715 cm⁻¹ 是酯類 C=O 強吸收的標記；1240（C–O–C 不對稱伸縮）+ 1090（C–O 對稱伸縮）+ 720（對位取代苯 C–H 變角）構成 PET 的標準四峰群。
- PA (Nylon) 雖然也有 C=O，但是醯胺類 C=O 約在 1640 cm⁻¹（amide I），且伴隨 3300 cm⁻¹ 寬 N–H 峰，與 PET 不同。
- PVC 的標誌是 690 cm⁻¹ 強 C–Cl 伸縮，本譜沒看到。
- 來自海鹽的這顆顆粒可能來自海洋環境中的保特瓶碎片，符合 Yang et al. (2015) 在中國市售食鹽中發現以 PET 為主的觀察。
Yang D. et al. (2015) Microplastic Pollution in Table Salts from China. Environ Sci Technol 49:13622–13627.
拉曼光譜 (Raman)：散射的力量
關鍵原理
- 單色雷射照射樣品 (常用 532、633、785、1064 nm)
- 多數光發生瑞利散射（彈性，波長不變）
- 極少數發生拉曼散射（非彈性，波長變化等於分子振動能量）
- Stokes 線 ν₀ – νᵥ；anti-Stokes 線 ν₀ + νᵥ
vs. FTIR 的互補性
| 項目 | FTIR | Raman |
|---|---|---|
| 選律 | 偶極變化 | 極化率變化 |
| 水訊號 | 強烈干擾 | 幾乎無 |
| 偵測極限 | ~10–20 μm | ~1 μm |
| 螢光干擾 | 無 | 常見問題 |
| 對稱鍵 (C=C) | 弱 | 強 |
| 分析時間 | 數秒/顆 | 數十秒/顆 |
PE HDPE Raman
特徵位移
- 1296：CH₂ 扭轉
- 1440：CH₂ 變角
- 2848 / 2882：C–H 伸縮雙峰（PE 最強訊號）
實務
PE 缺少強芳香鍵，Raman 強度遠低於 PS、PET；分析時建議搭配 FTIR 互相驗證。
PP Raman
特徵位移
- 808：C–C 骨架
- 973：CH₃ 搖動（區分 PE 關鍵）
- 2884 / 2953：C–H 伸縮
實務
973 cm⁻¹ 是 PP 獨有訊號，PE 完全沒有。低結晶度 PP 的 808 峰會減弱。
PS Raman ─ 招牌 1001 cm⁻¹
特徵位移
- 621：C–C 變角
- 1001：單取代苯環呼吸模式（強度極高、極尖銳，PS 的招牌指紋）
- 1602：苯環 C=C 骨架
- 3050：芳香 C–H 伸縮
實務
1001 cm⁻¹ 訊號之強，常用作環境樣品中 PS 的內標校正參考。免洗杯、發泡盒判讀首選。
PET Raman
特徵位移
- 1117：C–O 伸縮
- 1613：芳香 C=C 骨架
- 1726：酯類 C=O 伸縮（PET 識別關鍵）
- 3082：芳香 C–H
實務
同時看到 1613 (芳香) + 1726 (C=O) → 即可鎖定 PET，與 PA (僅 C=O 無芳香) 區分。
PVC Raman ─ C–Cl 638/696
特徵位移
- 638 / 696：C–Cl 伸縮（PVC 獨有，所有其他塑膠都沒有）
- 2913：C–H 伸縮
實務
低於 700 cm⁻¹ 的強峰是 PVC 直接證據；同時 FTIR 690 cm⁻¹ 也是 PVC 招牌。
五大塑膠 Raman 特徵速查
| 塑膠 | 關鍵位移 (cm⁻¹) | 歸屬 | 判讀重點 |
|---|---|---|---|
| PE | 1296, 1440, 2848, 2882 | C–H 伸縮雙峰 | 訊號弱 |
| PP | 808, 973, 2884, 2953 | 骨架、CH₃ 搖動 | 973 區分 PE |
| PS | 621, 1001, 1602, 3050 | 苯環呼吸 | 1001 招牌 |
| PET | 1117, 1613, 1726, 3082 | C=O + 芳香 | 1613+1726 同時 |
| PVC | 638, 696, 2913 | C–Cl | C–Cl 獨有 |
數據來源：KU Leuven RDR (doi:10.48804/FZNZMH)，EXIMIOUS 計畫 HPU Raman 光譜庫。
Raman 圖譜辨識：免洗杯刮下的 30 μm 顆粒
主要峰位於 621、1001、1031、1602、3050 cm⁻¹
判讀邏輯
- PS 正解：1001 cm⁻¹ 是單取代苯環呼吸模式，PS 的招牌指紋；伴隨 621（C–C 變角）、1031（C–H 平面內變角）、1602（C=C 苯環骨架）、3050（芳香 C–H 伸縮）。
- PE/PP 無芳香環，沒有 1001 或 1602 峰。
- PVC 的拉曼指紋為 638、696 cm⁻¹（C–Cl 伸縮）與 2920。
- 免洗杯材料以 PS 為主，符合常識。若用發泡杯，會額外看到發泡劑訊號。
Raman 的兩個常見痛點
痛點 1：螢光干擾
食品基質、有色顆粒、有添加劑的塑膠，在可見光雷射激發下會產生強烈螢光背景，淹沒拉曼訊號。
對策
- 改用 785 nm 或 1064 nm 雷射（光子能量低，較少激發螢光）
- 樣品前漂白（H₂O₂ + UV）
- SERDS (Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy)
- 數學基線校正（asymmetric least squares）
痛點 2：奈米塑膠太小
常規 Raman 無法看到 < 1 μm 顆粒。
對策
- SERS (Surface-Enhanced Raman)：將樣品吸附於 Au/Ag 奈米基板上，訊號增強 10⁶–10¹⁰ 倍，可看到單分子
- TERS (Tip-Enhanced)：結合 AFM 探針，解析度 ~20 nm
- O-PTIR：可看到 500 nm，且能與 Raman 同時收訊
Xu G. et al. (2020) Surface-Enhanced Raman Spectroscopy facilitates the detection of microplastics <1 μm in the environment. Environ Sci Technol 54:15594–15603.
振動光譜整合測驗（一）
FTIR 在 1715 cm⁻¹ 的強吸收，是辨識 PET 的關鍵指標。
正解：T 1715 cm⁻¹ 是酯類 C=O 強吸收，PET 的招牌指紋。
振動光譜整合測驗（二）
Raman 光譜法在水溶液中表現極差，所以無法分析水裡的微塑膠。
正解：F Raman 對水訊號弱反而是優勢，海水/飲用水中的 MP 分析常選 Raman 而非 FTIR-ATR。
振動光譜整合測驗（三）
顯微 FTIR 受紅外光繞射極限限制，傳統機型偵測下限約為 10–20 μm。
正解：T 突破繞射極限需要 QCL-IR、O-PTIR 等新技術，可達 5 μm 甚至 500 nm。
振動光譜整合測驗（四）
NIR 適合用來分析 5 μm 以下的奈米塑膠。
正解：F NIR 解析度與靈敏度都不足以分析 ≤ 5 μm 顆粒，奈米塑膠應走 Raman/SERS、Py-GC-MS 或 O-PTIR。
振動光譜整合測驗（五）
改用 785 或 1064 nm 雷射可降低 Raman 的螢光干擾。
正解：T 光子能量低，較少激發螢光；或可用 SERDS、數學基線校正。
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休息時想一想
FTIR / Raman 可以告訴你「這是 PET」，但無法直接告訴你「樣品中有多少質量的 PET」。為什麼？要怎麼解決？
為什麼需要質譜法？光譜法不夠嗎？
光譜法的本質限制
- 定量單位是「顆數 / 濾膜面積」，不是「質量 / 樣品重」
- 奈米塑膠 (< 1 μm) 顆粒太多，個別計數不切實際
- 樣品基質干擾大時，無法成像
- 無法區分塑膠中的添加劑、寡聚物
質譜法補位
- Py-GC-MS / TED-GC-MS：將塑膠裂解為小分子，用 GC-MS 偵測，得到質量定量 (μg)
- LC-MS：分析塑化劑、抗氧化劑、BPA、寡聚物
- NP 範圍仍可分析（樣品濃縮即可）
- 食品基質可消化後直接進樣
互補關係
光譜法回答「它是什麼？有幾顆？」；質譜法回答「它有多少質量？帶了什麼化學物？」。完整的微塑膠研究通常兩者並行。
Py-GC-MS：熱裂解-氣相層析-質譜
原理三步驟
- 熱裂解 (Pyrolysis)：在無氧條件下將樣品加熱至 500–700°C，聚合物斷裂成小分子（單體、寡聚物、副產物）
- GC 分離：揮發性裂解產物進入毛細管柱分離
- MS 偵測：EI 離子化 (70 eV)，獲得質譜並由 NIST 庫比對
關鍵硬體
- 裂解器：居里點 (Curie Point) 或微爐 (Micro-furnace) 兩大主流
- 典型樣品量：0.1–50 μg 即可
- 偵測極限：~0.1 μg per polymer
- 分析時間：每樣本約 30–60 分鐘
為何「無氧」？
裂解必須在惰性氣氛（He）下進行。若混入 O₂，聚合物會發生氧化裂解，產生大量 CO₂、H₂O 與非特異性氧化產物，破壞「指標化合物」的特異性，無法做定性與定量。
Käppler A. et al. (2018) Analysis of environmental microplastics by vibrational microspectroscopy: FTIR, Raman or both? Anal Bioanal Chem 408:8377–8391.
各塑膠的指標裂解產物 (Indicator Compounds)
| 塑膠 | 主要指標化合物 | m/z 特徵 | 備註 |
|---|---|---|---|
| PE | α,ω-烯-烷雙峰序列（C₅–C₃₃ 三聯體） | 系列 m/z = 12n+1 | 無唯一單體，依「三聯峰圖型」 |
| PP | 2,4-dimethyl-1-heptene | 126 | 頭尾連接 PP 三元體的標誌 |
| PET | vinyl benzoate、benzoic acid、biphenyl | 148、122、154 | 常用 vinyl benzoate 定量 |
| PS | styrene monomer、dimer、trimer | 104、208、312 | styrene trimer 特異性最高 |
| PVC | HCl、benzene、toluene、naphthalene | 78、92、128 | HCl 釋出腐蝕儀器，需注意 |
| PA-6 | ε-caprolactam | 113 | PA-6 與 PA-66 各有特徵 |
| PMMA | methyl methacrylate monomer | 100 | 幾乎 100% 回收為單體 |
| PC | bisphenol A、phenol | 228、94 | BPA 釋出，可同時與 LC-MS 對照 |
定量方法：建立指標化合物峰面積 vs 標準聚合物質量的檢量線，未知樣品質量可內插。內標常用 deuterated polystyrene-d5 或 ²H-PE。
Py-GC-MS 裂解產物配對
某未知樣品色譜圖最強峰質譜為 m/z = 104，伴隨 m/z = 208、312 較小峰群。主成分塑膠是？
判讀邏輯
- PS 正解：m/z 104 是苯乙烯單體 (styrene, C₈H₈)；208 是雙聚體 (1,3-diphenylpropane)、312 是三聚體。三者並現是 PS 的招牌。
- PP 的指標 m/z = 126 (2,4-dimethyl-1-heptene)。
- PE 主要為烷-烯-雙烯三聯體，由 C₆₊ 起，無單一強峰。
- PET 為 148 (vinyl benzoate)、122 (benzoic acid)。
Fischer M. & Scholz-Böttcher BM. (2017) Simultaneous Trace Identification and Quantification of Common Types of Microplastics in Environmental Samples by Pyrolysis-Gas Chromatography-Mass Spectrometry. Environ Sci Technol 51:5052–5060.
TED-GC-MS：可處理較大樣品的進階版
核心差異
TED = Thermal Extraction Desorption。樣品在熱重分析儀 (TGA) 內以受控升溫裂解，產物被固體吸附劑 (PDMS 條) 蒐集，再以熱脫附導入 GC-MS。
- 樣品量可達 100 mg（傳統 Py-GC-MS 僅 0.1–50 μg）
- 適合複雜基質直接進樣（沉積物、土壤、消化後組織）
- 偵測極限：~1 μg/g matrix
vs. Py-GC-MS
| Py-GC-MS | TED-GC-MS | |
|---|---|---|
| 樣品量 | 0.1–50 μg | 10–100 mg |
| LOD | ~0.1 μg | ~1 μg/g |
| 基質容忍 | 低 | 高 |
| 速度 | ~30 min/sample | ~3 h/sample |
| 儀器成本 | 中 | 高（TGA+GC-MS） |
Dümichen E. et al. (2017) Fast identification of microplastics in complex environmental samples by a thermal degradation method. Chemosphere 174:572–584.
情境決策（一）：海鹽中的微塑膠
500 g 商業海鹽，欲測 1–500 μm 微塑膠的類型與顆粒數。請選最合適的主要分析儀器：
解析
- μ-FTIR + FPA 最佳：需要「類型 + 顆粒數」兩個資訊，且粒徑都在 FTIR 偵測極限 (10–20 μm) 以上。FPA 化學成像可整片濾膜一次掃描、自動分類，效率最高。
- ATR-FTIR：適合單顆 > 500 μm 顆粒，逐顆量太慢。
- Raman：可行但分析時間長（每顆 30–60 秒，海鹽濾膜數百顆需數小時）；且部分海鹽顆粒帶色，螢光干擾。
- Py-GC-MS：得到「總質量」但失去「顆粒數」資訊，不符問題需求。
Karami A. et al. (2017) The presence of microplastics in commercial salts from different countries. Sci Rep 7:46173.
情境決策（二）：瓶裝水中的奈米塑膠
法規要求測定 1.5 L 瓶裝水中 100 nm – 1 μm 奈米塑膠的總質量濃度（μg/L）。請選最合適的方法組合：
解析
- D 為最佳：100 nm – 1 μm 顆粒已遠低於 FTIR 與常規 Raman 的偵測極限；要的是「質量濃度」而非「顆數」 → Py-GC-MS 是首選。前處理用場流分餾 (AF4) 或超離心將水中奈米塑膠濃縮。
- ATR-FTIR：水的 O–H 吸收會淹沒一切。
- μ-FTIR：解析度極限在 ~10 μm，看不到 100 nm。
- 顯微 Raman：解析度 ~1 μm，邊界情況；數量太多無法計數，且即便用 SERS 也只能定性。
Schwaferts C. et al. (2019) Methods for the analysis of submicrometer- and nanoplastic particles. TrAC 112:52–65.
LC-MS：分析塑化劑與寡聚物
LC-MS 在微塑膠分析中不直接量「塑膠顆粒」，而是測量塑膠帶出的化學物質：
塑化劑 (Plasticizers)
鄰苯二甲酸酯 (DEHP, DBP, BBP)、檸檬酸酯
內分泌干擾物
BPA、BPS、BPF
寡聚物 (Oligomers)
PET cyclic trimer、PE 蠟質寡聚物
添加劑
抗氧化劑 Irganox 1010、UV 穩定劑 Tinuvin 系列
LC-MS 典型流程與 MRM 定量
典型流程
- 樣品 → 有機溶劑萃取（MeOH、ACN、IPA）
- 固相萃取 SPE 純化 (HLB、MCX)
- UHPLC C18 管柱分離
- ESI（+）或（−）離子化
- 三重四極桿 QqQ 做 MRM 定量
關鍵 MRM 離子對
| 化合物 | 離子化 | 定量 m/z |
|---|---|---|
| DEHP | ESI+ | 391 → 149 |
| DBP | ESI+ | 279 → 149 |
| BPA | ESI− | 227 → 212 |
| BPS | ESI− | 249 → 108 |
| PET 環三聚體 | ESI+ | 577 → 193 |
塑化劑與 BPA：為什麼食品分析師最在乎這兩類？
鄰苯二甲酸酯類 (Phthalates)
- 添加於 PVC、PET、PA 中增加柔韌度
- 非共價結合 → 容易遷移到食品
- 歐盟法規 (EU) 10/2011 嚴格規範：DEHP < 1.5 mg/kg food
- 台灣食藥署：DEHP、DBP、BBP、DINP、DIDP、DnOP 六種有殘留限量
- 分析法：QuEChERS + GC-MS/MS 或 LC-MS/MS
雙酚 A (BPA)
- PC 奶瓶、罐頭內襯環氧樹脂的單體
- 內分泌干擾，歐盟 2024 起禁用於食品接觸材料（Reg (EU) 2024/3190）
- 替代品 BPS、BPF 也具類似活性，需一併監測
- 分析法：水樣經 SPE → UHPLC-MS/MS (ESI−)
微塑膠顆粒分析 → 光譜法 + Py-GC-MS；塑膠衍生化學物分析 → LC-MS。目標、樣品前處理、儀器設定完全不同。
Cao XL. (2010) Phthalate esters in foods: sources, occurrence, and analytical methods. Compr Rev Food Sci Food Saf 9:21–43.
五大技術綜合比較表
| NIR | FTIR | Raman | Py-GC-MS | LC-MS | |
|---|---|---|---|---|---|
| 偵測極限 | ~ mm | 10–20 μm | 1 μm | 0.1 μg | ng/L |
| 定量單位 | 分類 | 顆數 | 顆數 | 質量 | 濃度 |
| 樣品破壞 | 否 | 否 | 否 | 是 | 是（萃取） |
| 分析時間 | 秒 | 分 | 分–時 | 30–60 min | 30 min |
| 水樣容忍 | 差 | 差 | 佳 | 佳（樣品乾燥後） | 佳 |
| 主要應用 | 分選 | 常規鑑定 | NP 邊界 / 補 FTIR | 定量、混合物 | 塑化劑、寡聚物 |
| 儀器成本 | 低 | 中 | 中 | 高 | 高 |
完整微塑膠研究通常採「光譜法 + 質譜法」雙軌：FTIR/Raman 給顆粒類型與數量，Py-GC-MS 給總質量，LC-MS 給化學遷移物。
方法選擇決策樹
質量化 vs 顆粒化：報數據時要注意什麼？
顆粒化 (Particle-based)
- 單位：顆數 / L、顆數 / g 樣品
- 來源：FTIR、Raman 化學成像
- 優點：直觀、可分尺寸分布、可顯示形貌
- 缺點：隨儀器解析度而變（同一樣本，5 μm 截止 vs 20 μm 截止結果差 10–100 倍）
質量化 (Mass-based)
- 單位：μg/L、μg/g 樣品
- 來源：Py-GC-MS、TED-GC-MS
- 優點：與毒理研究單位接軌、可在不同實驗室間比較
- 缺點：失去顆粒尺寸、形貌資訊
Cowger et al. (2020) 報告指引
建議論文同時報告：① 偵測下限粒徑、② 顆數濃度（每升或每克）、③ 質量濃度（若可得）、④ 鑑定方法（FTIR/Raman/Py-GC-MS）、⑤ 比對庫名稱、⑥ 空白控制組數據、⑦ 回收率（spike-recovery）。
Cowger W. et al. (2020) Reporting Guidelines to Increase the Reproducibility and Comparability of Research on Microplastics. Appl Spectrosc 74:1066–1077.
文獻案例（一）：Yang et al. 中國市售食鹽
研究設計
- 採購 15 種中國市售食鹽（海鹽、湖鹽、岩鹽）
- 每樣本 250 g，去離子水溶解 → 1.6 μm 玻璃纖維濾膜
- 顯微鏡計數 + μ-FTIR 鑑定 (45–4500 μm 範圍)
關鍵結果
- 海鹽：550–681 顆/kg（最高）
- 湖鹽：43–364 顆/kg
- 岩鹽：7–204 顆/kg
- 主要塑膠：PET、PE、cellophane
方法與品管
- μ-FTIR：粒徑 > 45 μm，可逐顆鑑定
- 每天 3 個程序空白濾膜扣除背景
- 纖維與碎片分開計數
- 純棉實驗衣、避免塑膠容器（空氣纖維是最大污染源）
Yang D. et al. (2015) Microplastic Pollution in Table Salts from China. Environ Sci Technol 49:13622–13627. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b03163
文獻案例（二）：Hernandez et al. 塑膠茶包釋出奈米塑膠
研究設計
- 四款市售「網狀」茶包（材質為 PA / PET）
- 剪空茶葉、洗淨後浸入 95°C 水中 5 分鐘
- 掃描電鏡 (SEM) 觀察形貌
- μ-FTIR + μ-Raman 鑑定材質
- 奈米追蹤分析 (NTA) 計數
震撼結果
- 每杯（一個茶包）釋出：
～11.6 億顆 MP + 31 億顆 NP - 釋出顆粒材質確認為 PA + PET（與茶包本體一致）
- 水蚤暴露實驗：行為與發育異常
方法亮點
- FTIR 用於大顆粒、Raman 用於 1–10 μm 顆粒，兩者互補
- NTA 解決奈米計數問題（但無化學身份）
Hernandez LM. et al. (2019) Plastic Teabags Release Billions of Microparticles and Nanoparticles into Tea. Environ Sci Technol 53:12300–12310. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b02540
文獻案例（三）：Ribeiro et al. 海鮮中的 Py-GC-MS 定量
研究設計
- 五種澳洲高商業價值海鮮：野生牡蠣、養殖蝦、養殖花蟹、養殖鮭魚、野生沙丁魚
- 10% KOH 消化、過濾、乾燥
- Double-shot Py-GC-MS：先 350°C 趕除小分子，再 700°C 裂解聚合物
- 5 種塑膠同時定量：PE、PP、PVC、PS、PMMA
結果（每克可食組織）
- 沙丁魚：0.3 mg/g（最高，主要為 PVC）
- 牡蠣：0.04 mg/g
- 蝦：0.07 mg/g
- 花蟹：0.03 mg/g
- 鮭魚：< 偵測極限
方法亮點
- 定量單位是μg/g，可直接與每日攝入評估接軌
- 使用¹³C-PS 內標校正基質效應
- 回收率 80–110%
Ribeiro F. et al. (2020) Quantitative Analysis of Selected Plastics in High-Commercial-Value Australian Seafood by Pyrolysis Gas Chromatography Mass Spectrometry. Environ Sci Technol 54:9408–9417. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02337
綜合應用：實驗設計題
情境
分析「市售嬰兒奶瓶 (PP 製) 在 80°C 沖泡奶粉時，是否釋放微塑膠到沖泡液中」。
接下來四張投影片會分別問你四個設計問題，依序回答。
參考研究：Li D. et al. (2020) Microplastic release from PP feeding bottles during infant formula preparation. Nat Food 1:746–754.
實驗設計（1/4）：主要儀器
你會選擇什麼主要儀器？為什麼？
參考答案：μ-FTIR 化學成像（鑑定 1–500 μm 顆粒類型與計數）+ Py-GC-MS（總質量定量）；NP 範圍補 SEM + EDS。
實驗設計（2/4）：空白組與對照組
如何設計空白組與對照組？
參考答案：① 玻璃奶瓶（材質對照）；② 空氣沉降空白（同時開蓋暴露於空氣 30 分鐘）；③ 程序空白（試劑、容器、過濾全程序）。
實驗設計（3/4）：前處理
沖泡液如何前處理才能上機？
參考答案：先 Ar 流氣下冷藏靜置 30 min 沉澱 → 過濾 1.2 μm Anodisc 濾膜 → 不化學消化（沖泡液乾淨）→ 直接顯微鏡掃描。
實驗設計（4/4）：驗證準確度
你會如何驗證準確度？
參考答案：spike 已知數量 5、10、50 μm PP 顆粒測回收率 (80–120%)；平行三重複；參與國際循環比對（如 BAM、JRC）。
進階閱讀（一）：方法綜論 + 振動光譜
方法綜論
- Primpke S. et al. (2020) Critical assessment of analytical methods. Appl Spectrosc 74:1012.
- Schwaferts C. et al. (2019) Nano- and submicrometer particles. TrAC 112:52.
- La Nasa J. et al. (2020) Challenges and developments. J Hazard Mater 401:123379.
振動光譜 (FTIR / Raman)
- Käppler A. et al. (2016) FTIR, Raman or both? Anal Bioanal Chem 408:8377.
- Xu G. et al. (2020) SERS for <1 μm. Environ Sci Technol 54:15594.
- Anger PM. et al. (2018) Raman microspectroscopy. TrAC 109:214.
進階閱讀（二）：質譜 + 報告標準
質譜技術 (Py-GC-MS / LC-MS)
- Fischer M. & Scholz-Böttcher BM. (2017) Py-GC-MS quantification. Environ Sci Technol 51:5052.
- Dümichen E. et al. (2017) TED-GC-MS. Chemosphere 174:572.
- Ribeiro F. et al. (2020) Seafood Py-GC-MS. Environ Sci Technol 54:9408.
報告與標準化
- Cowger W. et al. (2020) Reporting Guidelines. Appl Spectrosc 74:1066.
- ISO/TR 21960:2020 — Plastics — Environmental aspects.
- EU Drinking Water Directive 2020/2184 — Annex III 微塑膠監測方法草案.
課程總結
三句口訣
- FTIR 看顆粒，Py-GC-MS 看質量。
- 大顆粒選 ATR，小顆粒選 μ-FTIR / Raman，奈米級選 Py-GC-MS + SERS。
- 空白組是命脈，未做空白的數據不可採信。
知識
- MP vs NP 的定義與來源
- PE/PP/PET/PS/PVC 的 FTIR 與 Raman 特徵峰
- 五大技術的原理、極限、定量單位
能力
- 判讀 FTIR / Raman / Py-GC-MS 結果並推斷塑膠類型
- 根據樣品尺寸、目標、基質選擇正確方法
- 設計空白組與品保流程避免污染
Exit Ticket（1/3）
用一句話總結今天最重要的學習。
Exit Ticket（2/3）
哪個概念你還不確定，希望老師再講一次？
Exit Ticket（3/3）
如果讓你選一個技術深入學習，你會選？為什麼？
謝謝大家！
提問、討論、批評，都歡迎。