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EPA專家研究成果 | 使用激光紅外成像光譜對地表水中高通量微塑料顆粒進行自動化檢測、定性和表征分析
近日,美國環保署在“Analytical and Bioanalytical Chemistry”上發表了題為“A high-throughput, automated technique for microplastics detection, quantification, and characterization in surface waters using laser direct infrared spectroscopy”的研究論文,由 Quinn T. Whiting 作為第一作者完成。
作者在三條城市的溪流中采集了樣品,并使用芬頓法對樣品進行簡單的氧化消解,處理后直接過濾到金膜上,并使用安捷倫 8700 LDIR 紅外成像光譜儀進行直接測試。通過儀器的全自動操作流程,可獲取樣品中每個微塑料顆粒的形狀、尺寸以及定性結果等信息,且軟件同步對測試顆粒的總數量、定性結果占比及粒徑分布進行了自動統計。利用該方法進行樣品測試,回收率可達到 88.3% ± 1.2%。為了進一步分析樣品中的微塑料顆粒,作者利用軟件提供的原始數據中的顆粒輪廓長寬比的參數開發了一種形狀分類算法,根據該算法可以將顆粒按照形狀篩分為纖維、纖維碎片、碎片及球形碎片。在樣品中大約有一半為碎片,其他形狀占比約占另一半。與 8700 LDIR 搭配使用的 Clarity 軟件可實現對未知顆粒的自動定性分析及統計,其原理為軟件的參數設置中內置了標準的紅外譜庫,并將最低匹配度設置為 0.7。當未知顆粒的定性匹配度高于 0.7 時,將按照最高匹配度結果進行顯示。為驗證定性結果的準確性,作者購買了海洋廢棄物研究中心的聚合物標準品并利用 LDIR 進行了分析測試,從測試結果來看,LDIR 與 FTIR 定性結果相近。然而,由于 LDIR 具有自動化簡單快速的測試流程以及可重復的顆粒分析方法,使其成為高通量微塑料測試用戶的最佳選擇。

圖 1. 8700 LDIR 紅外成像光譜儀
地表水樣品前處理流程
本文作者使用了芬頓氧化消解的方式對樣品進行簡單前處理,該方法適用于雜質較少的樣本。如采集環境樣品中有機、無機雜質比較多時,可參考以下流程完成樣品的前處理:
01
將采樣金屬濾膜置于盛有 H2O2 溶液(或芬頓試劑)的錐形瓶中,經過微波震蕩 10 min 后取出濾膜,將錐形瓶放入 60℃ 的震蕩培養箱中反應至澄清,約需 1–2 天;
02
采用浮選溶液進行重力浮選,微塑料漂浮在上清液中,虹吸上清液;
03
分別使用 500 μm 和 10 μm 濾膜對溶液進行過濾,10 μm 濾膜需要使用適量的超純水及無水乙醇沖洗后進行低溫干燥;
04
將 10 μm 濾膜上的顆粒通過微波振蕩方式轉移至無水乙醇溶液中,并將乙醇溶液濃縮至 100 μL 后轉移至標準反射窗片上使用 8700 LIDR 激光紅外成像進行測試;500 μm 濾膜上的顆粒可通過手動挑取方式使用 Cary630 FTIR 搭配鉆石 ATR 附件進行測試。
05
注:其中具體的消解次數及浮選次數需要根據樣品的實際情況進行適當優化。
兩種不同模式樣品測試方式介紹
8700 LDIR 紅外成像目前支持兩種不同模式的樣品測試方式,如圖 2 所示。用戶可根據樣品的具體情況進行靈活選擇。
01
窗片法
將前處理完畢的樣品過濾到金屬濾膜,并將金屬濾膜放置在無水乙醇溶液中進行超聲脫附,然后將濃縮后的無水乙醇溶液滴到 2.5×7.5 cm 的反射窗片上。隨著無水乙醇溶液在窗片上揮發延展將微塑料顆粒帶到窗片的不同位置上,待乙醇揮發干后顆粒自然沉積,儀器可對整個窗片進行自動化測試。窗片法適用于微塑料顆粒比較多的樣品。由于窗片面積較大,可以最大限度的降低顆粒堆疊對測試結果準確度的影響。
02
濾膜法
將前處理完畢的樣品直接過濾到金膜上,并將金膜置于樣品臺后進行直接自動測試。樣品臺可一次性同時放置兩個金膜,金膜法適用于微塑料顆粒比較少的珍貴樣品。由于在處理過程中樣品無需多次轉移,可最大限度的減少對樣品的交叉污染及顆粒損失。

圖 2. 兩種不同模式樣品測試方式,其中左圖為窗片法,右圖為濾膜法
8700 LDIR 紅外成像水中微塑料
快速定性及定量測試解決方案
8700 LDIR 紅外成像光譜儀采用量子級聯激光器作為光源,搭配安捷倫開發的高度智能化 Clarity 軟件,可自動實現對微塑料顆粒識別、圖像采集、紅外譜圖測試、尺寸信息以及定性結果統計等。與此同時,還可獲得每個顆粒的形態分析數據,可用于顆粒的形狀篩分及溯源工作。如下圖所示,地表水樣品中微塑料的粒徑具有豐度高,小粒徑顆粒占比高等特性,常規傳統紅外顯微儀器很難實現準確測試。而 8700 LDIR 紅外成像高精度的顆粒識別方法,可將大于 10 um 以上的顆粒全部自動識別并實現準確測試。測試全程由軟件自動控制,最大限度的消除了人為誤差的影響,為實驗室間進行數據對比提供了更多可行性。圖 3 為使用 8700 LDIR 紅外成像光譜儀測試的水中微塑料顆粒統計結果。

圖 3. 8700 LDIR 紅外成像測試飲用水樣品中的微塑料統計結果
結語
文中作者利用 LDIR 技術完成了對城市地表淡水樣品中微塑料顆粒的檢測、定量及形態表征,且首次使用 ASTM D8332 方法在自然水系統中進行了微塑料樣本采集。作者在環境樣本中監測到了大量顆粒,其中只有約 8-14% 的顆粒被鑒定為微塑料。LDIR 光譜儀不僅能識別出微塑料顆粒,同時還能夠鑒別出其他與基質有密切關系的天然顆粒,如泥沙、蛋白等,以及基質中未消解干凈的常見有機、物質干擾物。前處理后的樣品過濾到金膜上,可直接上機完成分析測試。與傳統的FTIR測試方法相比,LDIR 的顆粒表征更加自動化,且每個顆粒的分析時間僅為 8s,因此可以在相同的時間下完成更多樣品的分析測試工作。此外,作者使用標準品對 LDIR 及 FTIR 的定性結果準確度進行了比對,通過測試結果可以看出 LDIR 可以獲得與 FTIR 基本一致的測試結果。所以,作者建議在進行大通量環境樣本微塑料測試時可使用 LDIR 方法完成顆粒的定性、定量及形態的表征。