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微塑料分析与表征

什么是微塑料?

根据定义,直径小于 5 毫米的聚合物颗粒被称为微塑料(MP)颗粒。根据来源,微塑料可细分为初级微塑料和次级微塑料。由于高浓度微塑料发现地的名单每月都在增加,微塑料污染分析成为一项极具挑战的重要工作。

微塑料来自哪里?

微塑料颗粒可细分为初级微塑料颗粒和次级微塑料颗粒。初级微塑料颗粒(MPP)是专为工业用途生产的塑料颗粒,例如化妆品中的去死皮颗粒。次级微塑料颗粒(MPP)通过物理、生物和化学降解肉眼可见塑料件形成,成为排放到环境中的微塑料颗粒的主要来源。它们主要由弃置不当的塑料垃圾、轮胎磨损及合成纤维织物洗涤等引起的降解而形成。

微塑料出现在哪里?

河床、北极冰层、天然肥料、土壤,甚至饮用水中,都被发现存在数量明显的微塑料颗粒(MPP)。在过去数十年中,微塑料甚至已经进入了人类的食物链。总之,微塑料颗粒无处不在,为我们的环境带来了巨大的挑战。

微塑料对我们有何影响?

虽然我们都知道微塑料会危及海洋生物的安全,但目前尚无法评估其危害程度。不过,它们被海洋生物和鱼类吸收会导致人类食物链受到微塑料的污染。由于微塑料颗粒(MPP)可能含有危害身体健康的增塑剂,而且还可能吸收其他有机污染物,其长期影响难以预测。

如何检测微塑料?

虽然毫米尺寸的颗粒已被公认为属于微塑料颗粒(MPP),可以用肉眼分辨,但首先要说的一点是,光学显微镜是检测微塑料的最基本技术。但是,此方法无法提供化学鉴别,而化学鉴别对调查所检测到的微塑料颗粒(MPP)的影响和来源特别重要。FT-IR 和拉曼光谱可以在几分钟内鉴别出未知的聚合物粒子,并与显微技术完全兼容。

海盐中微塑料的 FT-IR 成像分析

Plastic waste beach
Microplastics Beach

如何分析微塑料?

显微技术可以快速、简便地检测微塑料,而当其与红外或拉曼光谱及化学分析相结合时,检测效率将大大提高。红外 (FT-IR) 和拉曼光谱提供可靠的聚合物鉴别,可以在显微镜下实现。在这方面,Bruker 倾向于综合的鉴别方式。微塑料颗粒(MPP)必须可靠地找到并立即鉴别出,同时降低人为失误的风险。下图展示了我们用于微塑料分析的产品组合。

Microplastic solutions overview

微塑料的 FT-IR 光谱分析

红外 (IR) 或傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱是确定微塑料的常见方法。顾名思义,红外辐射与粒子相互作用,通过吸收某些波长提供相关信息。如果想要详细了解 IR 光谱,请查看此处。

传统显微镜与标准的 ATR FT-IR 光谱仪结合可以检测和分析较大的颗粒,大多数微塑料颗粒(MPP)分析都需要用到 FT-IR 显微镜。FT-IR 非常可靠并可以直接应用,这是其最大优势。它几乎可以分析所有聚合物,包括深色和荧光物质。通过比较样本数据与参考数据库,可以确定未知物质,减少误报。

微塑料的拉曼光谱分析

拉曼光谱依赖于相干光源(如激光)的非弹性散射。拉曼光谱不如红外光谱使用广泛,这主要是因为拉曼测量通常需要专业的知识。特别是,深色或荧光聚合物不易分析或需要特殊技术。不过,当涉及到空间分辨率时,拉曼显微镜显然更具优势,因为它可以将微塑料颗粒(MPP)分析精确至纳米量级。

微塑料分析的最佳技术

关于此问题,很难有一个明确的定论,因为拉曼光谱和 FT-IR 光谱属于互补技术。从光谱的角度看,只有同时使用两种技术才能获得完整的数据信息。然而,在实际应用中,这并不常见。

两种技术各有所长,具体采用哪种技术通常视应用而定。目前,研究人员甚至仍在讨论最佳方法。如果您有关于哪种方法最适合您的应用的问题,请联系我们的微塑料专家,他们将帮助您共同寻找合适的解决方案。

Microscopic image cotton fiber
Ft ir analysis aluminiumoxide filter EN
Ft ir identified polyamide EN

欲详细了解我们的仪器和微塑料,请与我们联系

微塑料的 FT-IR 分析

FT-IR 显微技术是微塑料研究中的最常见方法。它的工作流程简单,结果精准、可靠。尤其是,焦平面阵列的 FT-IR 成像技术是一种先进的解决方案。欲详细了解我们的 FT-IR 仪器设置,请访问 LUMOS II 和 HYPERION 网站。

FT-IR 要求和样品制备

根据样品的不同,您可使用透射法(无需接触,红外光完全通过微塑料(MP))或衰减全反射法(ATR,需要接触,红外光稍微穿透微塑料(MP)表面)。当然,您还可使用反射测量法(非接触式,红外光必须穿过微塑料(MP)两次),但这并不在本文的讨论之列。
透射测量属于标准方法,但需要能让 IR 光自由穿过探测器的特殊滤光片。根据喜好,您可以选用 Teflon(PTFE)薄膜、金属网格、硅基和氧化铝薄膜滤光片,它们各有利弊。不过,目前氧化铝薄膜滤光片非常盛行,因此在我们的网站和视频中将作为一个示例进行介绍。此外,ATR 不需要复杂的样品制备或特殊的滤光片。微塑料可以放在标准的硝基纤维过滤器乃至沉积物或其他复杂基质顶部直接分析。
如果分析饮用水或饮料,液体需经合适的过滤材料过滤,然后再进行分析。如果分析河水或海水,需要采用密度分离法去除木屑、沙砾或海藻等物质。为此,需要使用不同浓度的盐溶液。在进行 IR 分析前,应将制备好的样品彻底干燥。某些情况下,在过滤样品前,可能需要使用酵素消化和/或 H2O2 处理去除有机和生物污染物。

FT-IR 制图和微塑料成像

最简单的方法是先目测感兴趣的颗粒,然后通过化学制图逐点描绘。这种“傻瓜式”方法十分实用,但可能需要人工搜索,会占用大量时间。所以,在利用 FT-IR 制图分析微塑料时,自动视觉识别就成为简化工作流程的关键。测量后,通过所有常见聚合物的红外光谱参考库,即可很容易地清晰识别。

虽然自动视觉检测可以减少人为错误,但此方法会因对比度较低而造成错失识别较小颗粒的风险。为了完全消除人为因素,FT-IR 成像是更安全的方法。FT-IR 或焦平面阵列 (FPA) 成像是微塑料分析的先进解决方案。与单点制图分析相比,此方法的速度更快,空间分辨率更高。

通常,成像会在一个会话中分析装有微塑料颗粒的整个过滤器。由于仅通过化学信息进行评估,因此错失对比度较低的较小颗粒的机会大大减少。请观看我们的视频,详细了解微塑料的 FT-IR 成像。

微塑料颗粒的 FT-IR 分析的最佳方法

同样,关于此问题,很难有一个明确的定论。业内领先的阿尔弗雷德韦格纳研究所(Alfred-Wegener-Institute)和奥尔堡大学等研究机构目前采用的是 FPA 技术。然而,在微塑料浓度较低的特殊情况下,制图实验的效率更高。

作为在采用 FT-IR 分析微塑料(MP)方面有着丰富经验的振动(微)光谱学专家,我们非常乐意协助您寻找适合微塑料调查需求的最佳方案。如需更多信息,请随时与我们联系。

海盐中微塑料的 FT-IR 成像分析

Slider LUMOS II
Polymer in database
ATR Spectra of natural cellulose

微塑料的拉曼分析

拉曼显微镜可以检测最小的微观结构和颗粒(> 0.5µm),这通常是微塑料颗粒分析中所需的功能。不过,除了所有优势之外,它也有一定的样品要求。

拉曼分析的要求和样品制备

使用拉曼分析法分析微塑料时,重要的一点是,被检颗粒和使用的过滤材料都不能呈现荧光。此外,由于样品会被偶尔加热,拉曼分析法不适用于分析深色塑料和橡胶。由于多个测量参数可能需要根据个别样品的属性调整,因此与 FT-IR 相比,拉曼分析需要更多的专业知识。

此外,拉曼样品制备与红外光谱分析非常相似。饮用水必须用不同浓度盐溶液的密度分离法,先通过合适的过滤材料(如镀金聚碳酸酯)滤除木屑、沙砾、海藻等不需要的物质。如果微塑料(MP)中含有有机和生物污染物(如增塑剂或藻类),在过滤样品前,可能需要使用酶素消化和/或 H2O2 处理去除这些物质。

微塑料的拉曼测量和成像

首先目测分析样品,寻找各个微塑料颗粒。使用对比度增强工具(如暗场照明)有助于检测微塑料(MP)颗粒,但使用自动视觉分析更安全、更快速。定位好之后,颗粒将被自动测量和分析。根据所有常见聚合物的拉曼光谱参考库,可以轻松确定所找到的颗粒的特性。

然而,此方法存在一个风险,即可能会错失低对比度的无色微塑料(MP)。如果能够消除人为失误,自动拉曼成像将成为成功的关键。由于并非在滤光片上分析单个微塑料(MP),整个过滤器可以使用非常窄的测量网格进行扫描。这将增加分析所需的时间,但之后,仅根据化学对比度即可完成鉴别。由此可以可靠地对微塑料(MP)进行量化,大大减少人为失误。

微塑料拉曼分析的最佳方法

同样,关于此问题,很难有一个明确的定论。制图法和成像法都是微塑料颗粒(MPP)综合分析的实用方法,两者各有所长。如果时间紧张,制图法更合适。

作为在微塑料颗粒(MPP)分析方面拥有丰富经验的振动(微)光谱学专家,我们非常乐意协助您寻找微塑料分析的最佳方案。如需更多信息,请随时与我们联系。

拉曼显微镜 SENTERRA II

详细了解微塑料

AN M144
PN M181
PN M184

微塑料分析参考

2019

  • M. Bergmann, S. Mützel, S. Primpke, M. B. Tekman, J. Trachsel, and G. Gerdts,"White and wonderful? Microplastics prevail in snow from the Alps to the Arctic". Sci. Adv., 2019. 5 (8): eaax1157.
  • M. Haave, C. Lorenz, S. Primpke, and G. Gerdts,"Different stories told by small and large microplastics in sediment - first report of microplastic concentrations in an urban recipient in Norway". Mar. Pollut. Bull., 2019. 141: 501-513.
  • C. Lorenz, L. Roscher, M. S. Meyer, L. Hildebrandt, J. Prume, M. G. J. Löder, S. Primpke, and G. Gerdts,"Spatial distribution of microplastics in sediments and surface waters of the southern North Sea". Environ. Pollut., 2019. 252: 1719-1729.

  • S. M. Mintenig, M. G. J. Löder, S. Primpke, and G. Gerdts,"Low numbers of microplastics detected in drinking water from ground water sources". Sci. Total Environ., 2019. 648: 631-635.
  • S. Primpke, P. A. Dias, and G. Gerdts,"Automated identification and quantification of microfibres and microplastics". Anal. Methods, 2019. 11 (16): 2138-2147.
  • S. Primpke, H. Imhof, S. Piehl, C. Lorenz, M. Löder, C. Laforsch, and G. Gerdts,"Environmental Chemistry Microplastic in the Environment". Chem. unserer Zeit, 2017. 51 (6): 402-412.
  • Peeken, S. Primpke, B. Beyer, J. Gutermann, C. Katlein, T. Krumpen, M. Bergmann, L. Hehemann, and G. Gerdts,"Arctic sea ice is an important temporal sink and means of transport for microplastic". Nature Communications, 2018. 9.
  • T. Mani, S. Primpke, C. Lorenz, G. Gerdts, and P. Burkhardt-Holm,"Microplastic Pollution in Benthic Midstream Sediments of the Rhine River". Environ Sci Technol, 2019. 53 (10): 6053-6062.


2017 - 2018

  • S. M. Mintenig, I. Int-Veen, M. G. J. Löder, S. Primpke, and G. Gerdts,"Identification of microplastic in effluents of waste water treatment plants using focal plane array-based micro-Fourier-transform infrared imaging". Water Res., 2017. 108: 365-372.
  • M. G. J. Löder, H. K. Imhof, M. Ladehoff, L. A. Loschel, C. Lorenz, S. Mintenig, S. Piehl, S. Primpke, I. Schrank, C. Laforsch, and G. Gerdts,"Enzymatic Purification of Microplastics in Environmental Samples". Environ. Sci. Technol., 2017. 51 (24): 14283-14292.
  • M. Bergmann, V. Wirzberger, T. Krumpen, C. Lorenz, S. Primpke, M. B. Tekman, and G. Gerdts,"High Quantities of Microplastic in Arctic Deep-Sea Sediments from the HAUSGARTEN Observatory". Environ. Sci. Technol., 2017. 51 (19): 11000-11010.
  • L. Cabernard, L. Roscher, C. Lorenz, G. Gerdts, and S. Primpke, "Comparison of Raman and Fourier Transform Infrared Spectroscopy for the Quantification of Microplastics in the Aquatic Environment". Environ. Sci. Technol., 2018. 52 (22): 13279-13288.
  • S. Primpke, C. Lorenz, R. Rascher-Friesenhausen, and G. Gerdts,"An automated approach for microplastics analysis using focal plane array (FPA) FTIR microscopy and image analysis". Anal. Methods, 2017. 9 (9): 1499-1511.
  • S. Primpke, M. Wirth, C. Lorenz, and G. Gerdts,"Reference database design for the automated analysis of microplastic samples based on Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy". Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2018. 410 (21): 5131-5141.