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通过 FTIR 和拉曼进行塑料微粒分析
人们在日常用品和制造过程中使用塑料，导致大量缓慢降解的物质进入我们的环境和食物链。随着塑料分解成微小颗粒（直径 < 5 mm），需要研究其对人类、动物和生态系统健康的影响。
了解我们的 FTIR 和拉曼光谱解决方案，可帮助您鉴定、表征和量化来自各种样品来源（瓶装水、海水、工业废物流）的塑料微粒，而无需成为光谱学专家。
颗粒小。影响大。
海滩、衣服、瓶装水、鱼、啤酒、空气和蜂蜜都有一个共同点。它们各自都含有塑料微粒。
这些混杂的微粒尺寸小于5毫米 [1]，是一个迫切需要关注的问题，因为它们侵入食物链并且未经检测就混进净化系统。 塑料微粒是来自日常物品的小塑料纤维和颗粒。这些塑料微粒的来源 [2] 包括：
- 衣服
- 油漆
- 轮胎灰尘
- 塑料垃圾（袋子、瓶子、吸管）
- 个人护理用品（微珠）
在全球范围内测试的自来水中，83% 的自来水被只有1/10毫米的塑料微粒纤维污染 [3]。这些纤维通过日常活动分散到环境中，例如洗衣、游泳、逛街或洁面。然后，这些微粒最终进入淡水湖泊、河流、市政水处理厂，最终进入自来水。这些来源不仅影响我们的海洋、湖泊和泉水，还影响栖息在其中的生物的生命。图 1 显示了从威尼斯泻湖的 Pellestrina 海滩采集的海水样品中的塑料微粒分析。方框 B 中鉴定的三种颗粒的尺寸均在 5 至 10 μm 之间。黄色颗粒被鉴定为聚丙烯，灰色颗粒被鉴定为 PV23 Hoechst 激光颜料。
Figure 1: Filter-captured microplastics from ocean water
进入当地的便利店，您假设纯净瓶装水中没有有害颗粒。令人惊讶的是，瓶装水对塑料微粒污染也不例外，事实上，其污染程度高于自来水。纽约州立大学弗雷多尼亚分校的研究表明，93% 的测试的瓶装水都有塑料微粒污染 [4]。这促使世界卫生组织 (WHO) 评估所有可用的塑料微粒研究，以帮助了解一生食用和饮用塑料微粒是否会对人类健康产生影响。遗憾的是，在水净化系统中没有检测到塑料微粒，因此它们可能来自自来水源以及在装瓶过程中由机器产生。这给饮料公司带来了潜在的责任风险，他们正在探索如何最好地测量他们产品中的塑料微粒。
可怕的健康影响
由于这一发现相对较新，目前尚不清楚塑料微粒污染对人类健康的影响。这意味着我们必须找到研究塑料微粒的组成和传播以及它们对人类的生物学和毒理学影响的方法。
随着塑料废物在我们的环境中分解，它变得越来越小，变成纤维。这些纤维可吸收水中存在的有毒化学物质，如植物杀虫剂或商业船舶污染。随着生物体食用塑料微粒，将这些毒素摄入它们的体内，这些塑料微粒也随之进入食物链。这些毒素沿着食物链向上转移，直到出现在我们的餐桌上。[5]
虽然这种毒素从塑料微粒到鱼类到人类的传播还有待研究，但我们确实知道毒素对鱼类和微生物的健康影响。鱼类摄取吸附了毒素的塑料微粒的后果可能是双倍的；暴露可能是物理的，导致组织损伤，或者可能是化学的，导致生物累积进而产生肝毒性。[2, 7]
塑料微粒分析的问题
为了区分这些塑料微粒，目前的策略是使用立体显微镜，并乏味地将塑料微粒和其他材料分开。[6] 遗憾的是，由于塑料微粒尺寸极小 (< 1 mm)，以及人为错误和样品污染的可能性，这种可视方法容易出错。这种几乎不可能和耗时的鉴定过程给我们带来了一个具有挑战性的问题。
美国环境保护署 (EPA) 于2017年6月举办了一次塑料微粒专家研讨会，以确定了解塑料微粒对人类生活和生态系统造成的风险和影响所需的信息，并对其进行优先排序。[6] 在了解塑料微粒风险的所有需求中，专家组同意我们需要对聚合物的收集、提取、定量和表征进行样品标准化到微米级别（ ≥ 1 μm 和 ≤ 1 mm 大小）。这些方法需要具有可重复性、代表性、准确性和精确性，同时遵循适当的质量保证/质量控制 (QA/QC) 实践。然后，可以利用获得的样品中塑料微粒形状、聚合物类型、尺寸、化学组成和颗粒数量的信息来确定什么与人类和生态健康真正相关。该小组支持将互补分析方法与视觉方法结合使用，并建议使用能够适应自动化和校准的仪器，以确保由不同人员取得的结果可重复。[6]
分析解决方案
拉曼和红外显微镜可以准确鉴定从环境、工业、市政或消费品样品中收集的各种塑料微粒颗粒（直径 1-5000 μm）。 这些技术利用光与分子相互作用的能力，使它们以给定的频率振动。结果，光谱（或吸收或发射频率的峰值模式 - 图 2 ）可以提供微粒的“分子指纹”，以对其组分进行识别。
Thermo Scientific DXR3xi 拉曼成像显微镜提供对 > 1 μm 颗粒的分析能力，可以低至 0.5 μm 的高度空间分辨率鉴别来自其他污染物的塑料微粒。Thermo Scientific OMNIC 软件的多变量分析算法支持在塑料和聚合物的光谱库中进行光谱鉴定。DXR3xi 拉曼显微镜具有自动对准和校准功能，可确保操作员之间的准确测量和一致性，支持 EPA 工作组提出的建议。该显微镜可快速对样品过滤器上的大表面区域进行成像，使其成为比较多种颗粒和鉴定其化学成分的快速、可靠的方法。对于 > 10 μm 的塑料微粒颗粒，Thermo Scientific Nicolet iN10 MX FTIR 成像显微镜提供类似的化学成像能力、速度和效率。
Figure 2: Raman spectra of the microplastic standards: PE - polyethylene; PE-TiO2 polyethylene-titanium dioxide; PS-DVB – polystyrene-divinylbenzene
参考文献
- https://marinedebris.noaa.gov/sites/default/files/publications-files/TM_NOS-ORR_30.pdf
- https://orbmedia.org/stories/Invisibles_plastics
- https://www.theguardian.com/environment/2017/sep/06/plastic-fibres-found-tap-water-around-world-study-reveals
- https://orbmedia.org/stories/plus-plastic/
- https://www.theguardian.com/lifeandstyle/2017/feb/14/sea-to-plate-plastic-got-into-fish
- https://www.epa.gov/trash-free-waters/microplastics-expert-workshop-report
- https://www.nature.com/articles/srep03263
图 3 中的样品工作流程图显示了从样品制备到塑料微粒分析的典型过程。
Figure 3: Microplastics workflow
Dr. Yutaka Kameda, Chiba Institute of Technology, Japan
Presented at SETAC 2018
Dr. Yutaka Kameda, Chiba Institute of Technology, Japan
Presented at SETAC 2018
引用文献
查找使用 FTIR 和拉曼光谱进行塑料微粒分析的同行评审的出版物。
| 标题 | 年份 | 出版物和链接 | 文字预览 |
|---|---|---|---|
| 来自葡萄牙海岸两个海滩的塑料微粒中的有机污染物 | 2010年 | 海洋污染公报（第60卷，第11期，第1988-1992页） | “根据 Nicolet 光谱仪数据库中的标准进行聚合物鉴定” |
| 沿海海洋环境中出现塑料微粒：对中国沉积物的初步观察 | 2015年 | 海洋污染公报（第98卷，第1-2期，第274-280页） | “通过装有氮气的微型 FTIR （Nicolet iN10，USA） 鉴定出塑料微粒……” |
| 在具有高悬浮沉积物负荷和大型浮动碎片的水生环境中对塑料微粒进行取样、分选和表征 | 2018年 | JOVE | “使用 Nicolet iS10 FTIR 光谱仪分析可疑的塑料微粒。使用 Nicolet iN5 FTIR 显微镜分析可疑的塑料微粒。” |
| 斯里兰卡南部沿海海滩和水域中塑料微粒污染的证据 | 2018年 | 海洋污染公报（第137卷，第277-284页） | “Nicolet iS5 FTIR 光谱仪每个样品收集16次扫描，分辨率为 4.0 cm -1 ……” |
| 来自中国的商业双壳类中的塑料微粒 | 2015年 | 环境污染（第207卷，第190-195页） | “使用 μ-FT-IR 验证塑料微粒。使用 μ-FT-IR 显微镜 （Thermo Nicolet iN10 MX） 进行鉴定……” |
| 用于分析环境样品中塑料微粒的微观鉴定方法和光谱鉴定方法的比较 | 2015年 | 海洋污染公报（第93卷，第202-209页） | “来自 SML 水和沙滩样品的滤纸上的塑料微粒颗粒……选中每个正方形并立即使用 FT-IR（Thermo Nicolet FT-IR 光谱仪）进行鉴定……” |
| 来自阿拉伯东南部 Kochi 沿海水域的底栖无脊椎动物的塑料微粒 | 2018年 | 环境地球化学与健康（第40卷，第1377-1383页） | “通过 DXR 拉曼显微镜 (Thermo Scientific, USA) 鉴定构成塑料微粒颗粒的聚合物类型” |
| 大西洋海洋塑料微粒的丰度、尺寸和聚合物组成大于或等于 10 μm 以及其模拟的垂直分布 | 2015年 | 海洋污染公报（第100卷，第70-81页） | “拉曼光谱是通过在 DXR 拉曼显微镜 （Thermo……）上的光谱测量获得的
|
| 埃斯特角城（乌拉圭）休闲海滩上的塑料和塑料微粒：看不见的重要居民？ | 2016年 | 环境污染（第218卷，第931-941页） | “……使用拉曼成像显微镜 （Thermo Scientific DXRxi 拉曼显微镜）进行聚合物鉴定” |
Identification of Microplastics
Webinar length: 20 minutes
This webinar covers why microplastics have become an important research topic for environmental scientists and a concern for food and beverage manufacturers. An explaination of advantages and limitations are for spectroscopy-based analytical methods will be discussed. Specifically microspectroscopy techniques (Raman and FTIR microscopy) as well as attenuated total reflectance (ATR) spectroscopy provide options for identifying unknown particles by characterizing their composition, size, and quantity. Resources are available to help make decisions on which system is best for a given application and budget.
Who should attend
- Environmental and biological researchers
- Government agency lab managers
- Food and beverage QC scientist
- Personal care QC scientists
- Analytical testing service providers
| FTIR + ATR | FTIR + 小光斑 ATR | 全自动 FTIR 显微镜 | FTIR 成像显微镜 | 拉曼显微镜 | |
| 配置 |  |  |  |  |  |
| Nicolet iS5 FTIR 光谱仪和 iD7 ATR 附件 | SurveyIR 显微分光镜检查附件 + Nicolet iS5 FTIR 光谱仪 | Nicolet iN5 红外显微镜 + Nicolet iS20 FTIR 光谱仪 | Nicolet iN10 MX 显微红外成像光谱仪 | DXR3 拉曼显微镜 | |
| 可测量的颗粒尺寸 | |||||
| 5 mm | ✓ | ||||
| 1 mm | ✓ | ✓ | |||
| 500 μm | ✓ | ✓ | |||
| 100 μm | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| 10 μm | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| 1 μm | ✓ | ||||
| 仅手动放置样品 | 是 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| 过滤器的自动分析 | 否 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 免疫样品荧光 | 是 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| 相对成本 | $ | $$ | $$$ | $$$$ | $$$$$ |
可通过 FTIR 和拉曼光谱鉴定的普通塑料
| 产品名称 | 缩写 | 典型密度 (g/cm3) |
|---|---|---|
| 膨胀聚苯乙烯 | EPS | 0.02年 |
| 聚丙烯 | PP | 0.89年 |
| 低密度聚乙烯 | LDPE | 0.96年 |
| 高密度聚乙烯 | HDPE | 0.96年 |
| 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 | ABS | 1.05年 |
| 聚苯乙烯 | PS | 1.06年 |
| 聚酰胺（尼龙） | PA | 1.14年 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯 | PMMA | 1.18年 |
| 聚碳酸酯 | PC | 1.2年 |
| 醋酸纤维素 | CA | 1.3年 |
| 聚氯乙烯 | PVC | 1.39年 |
| 聚对苯二甲酸乙二醇酯 | PET | 1.39年 |
| 聚四氟乙烯 | PTFE | 2.2年 |
