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미세플라스틱 분석과 특성 해석

미세플라스틱이란?

정의에 의하면 직경이 5mm 미만인 폴리머 입자를 미세플라스틱(MP) 입자라고 합니다. 미세플라스틱은 그 기원에 따라 1차 입자와 2차 입자로 세분할 수 있습니다. 높은 농도의 미세플라스틱이 발견되는 곳들이 계속 늘고 있기 때문에 미세플라스틱 오염 분석은 어렵지만 아주 중요한 작업입니다.

미세플라스틱의 원천은?

미세플라스틱 입자는 1차 입자와 2차 입자로 분류할 수 있습니다. 1차 미세플라스틱 입자(MPP)는 예를 들면 화장품 제품의 각질 제거용 입자 등 산업용으로 특별히 생산된 입자입니다. 2차 미세플라스틱 입자는 큰 플라스틱 부품이 물리적, 생물학적, 화학적으로 분해되어 생성되며, 환경으로 방출되는 미세플라스틱 입자의 대부분을 이룹니다. 부적절하게 폐기한 플라스틱 쓰레기가 분해되거나 타이어가 마모되거나 합성섬유를 세탁함으로써 주로 생성됩니다.

미세플라스틱이 발견되는 곳은?

강바닥, 북극 빙하, 천연 비료, 토양, 심지어는 음용수에서도 상당한 양의 MPP가 발견됩니다. 지난 수십 년 동안 미세플라스틱은 인간의 먹이사슬에서도 발견되기 시작했습니다. 요약하자면, 미세플라스틱 입자는 어디에서나 발견되기 때문에 우리 환경에 아주 큰 문제를 일으킵니다.

미세플라스틱이 미치는 영향은?

해양생물에 대한 위협에 대해서는 많은 내용이 밝혀졌지만 현재로서는 모든 영향을 완벽히 평가할 수 없습니다. 그러나 해양생물과 어류가 미세플라스틱을 섭취함으로써 인간의 먹이사슬도 미세플라스틱으로 오염됩니다. MPP에는 문제를 일으키는 가소제가 함유되어 있을 수 있고 다른 유기질 오염물질이 흡착될 수도 있기 때문에 장기적인 영향을 예측하기는 상당히 어렵습니다.

미세플라스틱을 확인하는 방법은?

밀리미터 크기의 입자도 이미 MPP로 간주되고 육안으로도 분간할 수 있지만, 미세플라스틱을 탐지하는 가장 기본적인 기법으로는 뭐니 뭐니 해도 광학현미경을 들 수 있습니다. 그러나 광학현미경으로는 탐지한 MPP의 영향과 기원을 조사하는 데 특히 중요한 화학물질의 정체를 알 수 없습니다. FT-IR과 라만 분광분석을 이용하면 몇 분 안에 미지의 폴리머 입자를 식별할 수 있고, 현미경 기법과 완벽히 호환됩니다.

FT-IR 이미징을 이용한 바다 소금 내 미세플라스틱 분석

Plastic waste beach
Microplastics Beach

미세플라스틱을 분석하는 방법은?

현미경을 이용하면 미세플라스틱을 빠르고 간편하게 탐지할 수 있지만 적외선 또는 라만 분광분석, 즉 화학물질 분석과 결합하면 그 효과가 엄청나게 높아집니다. 적외선(FT-IR)과 라만 분광분석은 폴리머를 신뢰성 있게 식별할 수 있고, 현미경에서 구현할 수 있습니다. 그렇기 때문에 Bruker는 종합적인 접근법을 추구합니다. 사람이 실수할 가능성을 줄이는 한편, MPP를 신뢰성 있게 확인해야 하고 즉시 식별해야 합니다. 아래 차트에는 미세플라스틱 분석을 위한 Bruker 제품 포트폴리오가 제시되어 있습니다.

Microplastic solutions overview

FT-IR 분광분석을 이용한 미세플라스틱 분석

미세플라스틱 식별에는 적외선(IR) 또는 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광분석법이 가장 널리 활용됩니다. 그 명칭에서 알 수 있듯이, 적외선 광선이 입자와 상호작용을 하여 특정 파장을 흡수함으로써 정보를 제공하게 됩니다. IR 분광분석에 대해 더 자세히 알고 싶으시면 여기를 참고하십시오.

큰 입자는 기존의 현미경에 표준형 감쇠전반사(ATR) FT-IR 분광분석기를 결합하여 탐지하고 분석할 수 있지만, 대부분의 MPP는 FT-IR 현미경이 필요합니다. FT-IR의 가장 큰 장점은 신뢰성이 아주 높고 직관적으로 사용할 수 있다는 점입니다. 어두운 물질, 형광 물질 등 거의 모든 폴리머를 분석할 수 있습니다. 샘플 데이터와 참조 데이터 라이브러리를 대조함으로써 미지물질을 식별하고 긍정오류를 최소화할 수 있습니다.

라만 분광분석법을 이용한 미세플라스틱 분석

라만 분광분석법은 간섭성 광원(예, 레이저)에서 나오는 빛의 비탄성 산란을 이용합니다. 라만 분광분석법을 이용한 측정에는 종종 전문지식이 필요하기 때문에 IR 분광분석법만큼 널리 활용하지는 않습니다. 특히 어둡거나 형광을 내는 폴리머는 분석이 어렵고 특수한 기법이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 공간 분해능 측면에서 보면 MPP를 나노미터 범위까지 분석할 수 있기 때문에 라만 현미경 분석은 분명한 장점이 있습니다.

미세플라스틱 분석을 위한 최적의 기법

라만과 FT-IR 분광분석법은 상호보완적인 기법이기 때문에 이 질문에 대한 확정적인 답은 사실상 없습니다. 분광분석적 관점에서 보면, 이는 두 기법을 함께 사용해야만 완벽한 데이터 세트를 얻을 수 있다는 것을 의미합니다. 그러나 실제로는 그런 사례가 아주 드뭅니다.

두 기법은 분명한 장단점이 있기 때문에, 보통은 활용 사례에 맞춰 사용할 기법을 선택하게 됩니다. 연구자들 사이에서도 최적의 접근법에 대해 논의가 진행 중입니다. 고객 여러분의 적용 분야에 가장 적합한 방법에 대해 문의 사항이 있으시면 당사 미세플라스틱 전문가에게 연락하시기 바랍니다. 고객과 함께 가장 적절한 해법을 모색할 것입니다.

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

Bruker 기기와 미세플라스틱에 대해 더 자세히 알고 싶으시면 문의해 주십시오.

미세플라스틱의 FT-IR 분석

미세플라스틱 연구에서는 FT-IR 현미경 분석을 가장 널리 활용하고 있습니다. 워크플로가 아주 단순하고, 결과는 정밀도와 신뢰도가 높습니다. 특히 초점면 배열을 이용한 FT-IR 이미징은 최첨단 솔루션입니다. Bruker의 FT-IR 기기 셋업에 대한 더 자세한 내용은 LUMOS II 및 HYPERION 웹사이트에서 확인하실 수 있습니다.

FT-IR 요구 사항 & 시료 준비

시료에 따라, 투과(무접촉, IR 광선이 MP를 완전히 통과함) 또는 감쇠전반사(ATR, 접촉, IR 광선이 MP 표면을 약간 투과함)를 이용하실 수 있습니다. 반사광 측정도 가능하지만(무접촉, IR 광선이 MP를 두 번 통과해야 함), 여기에서 다루지는 않을 것입니다.

투과 측정이 표준 기법이지만 IR 광선이 디텍터까지 자유롭게 통과하도록 할 특수 필터가 필요합니다. 테플론(PTFE) 멤브레인, 금속망, 실리콘, 산화알루미늄 필터 중에서 원하시는 대로 자유롭게 선택하실 수 있으며, 각각에 구체적인 장점과 단점이 있습니다. 다만 산화알루미늄 필터가 상당히 널리 사용되고, 따라서 당사 웹사이트와 영상에서는 산화알루미늄 필터를 예시 사례로 활용할 것입니다. 다른 한편으로, ATR은 복잡한 시료 준비나 특수 필터가 필요하지 않습니다. 미세플라스틱은 표준 니트로셀룰로오스 필터에서 바로 분석하거나 침전물 또는 기타 복합 매트릭스 위에서도 분석할 수 있습니다.

음용수나 음료수를 분석할 때는 액체를 적절한 필터 물질에 통과시킨 뒤에 분석합니다. 하천수나 해수를 분석할 때는 밀도 분리를 이용하여 나무, 모래 또는 수초를 제거해야 합니다. 다양한 농도의 염용액을 사용하여 제거합니다. 준비된 시료는 IR 분석을 하기 전에 철저히 말려야 합니다. 어떤 경우에는 유기질 또는 생물성 오염물질을 제거하기 위해, 시료 여과 전에 효소 소화 및/또는 과산화수소 처리를 합니다.

미세플라스틱의 FT-IR 매핑과 이미징

가장 쉬운 방법은 먼저 육안으로 관심 입자를 탐지하고, 이어서 화학물질 매핑을 통해 하나씩 분석하는 방법입니다. 포인트 앤 슛(point-and-shoot) 방식이 아주 적합하지만, 수작업 탐색을 적용한다면 많은 시간이 걸릴 수 있습니다. 그래서 FT-IR 이미징을 이용한 미세플라스틱 분석 워크플로를 손쉽게 진행하려면 자동화된 육안 식별이 반드시 필요합니다. 측정한 후에는 흔히 발견되는 모든 폴리머의 적외선 스펙트럼 참조 라이브러리를 이용해서 물질의 정체를 분명히 식별할 수 있게 됩니다.

자동 육안 탐지를 이용하면 사람의 실수를 줄일 수 있지만, 이 방법은 대비도가 낮을 수 있는 작은 입자를 놓칠 위험이 있습니다. 인간적 요소를 거의 완벽히 제거하기 위해서는 FT-IR 이미징을 이용하는 것이 더 안전합니다. FT-IR 또는 초점면 배열(FPA) 이미징은 미세플라스틱 분석을 위한 최첨단 솔루션입니다. 싱글 포인트 매핑 분석에 비해 속도가 더 빠르고 공간 분해능이 더 높습니다.

일반적으로는 한 세션에서 이미징을 통해, 미세플라스틱 입자가 쌓인 전체 필터를 분석하게 됩니다. 화학물질 정보만을 이용하여 평가를 수행하기 때문에, 육안으로 볼 때 대비도가 낮은 작은 입자를 놓칠 위험이 훨씬 적어집니다. 미세플라스틱의 FT-IR 이미징에 대해 더 자세히 알아보시려면 당사 영상을 시청하십시오.

[미세플라스틱 입자의 FT-IR 분석을 위한 최적의 접근법

다시 강조하자면, 이 질문에 대한 확실한 대답은 찾기가 어렵습니다. 이 분야의 선구자라고 할 수 있는 알프레드 베게너 연구소(Alfred-Wegener-Institute)와 올보르그 대학교(Aalborg University)의 연구자들은 FPA 기술을 이용하고 있습니다. 그러나 농도가 낮은 미세플라스틱을 분석해야 할 경우에는 매핑 실험의 효율이 높습니다.

FT-IR을 이용한 MP 분석 분야에 오랜 확고한 경험을 가진 진동(미세)분석 전문가로서, Bruker는 고객 여러분이 미세플라스틱 조사에 필요한 가장 적합한 솔루션을 찾도록 지원하고 있습니다. 더 자세한 정보가 필요하시면 문의해 주십시오.

FT-IR 매핑을 이용한 바다 소금 내 미세플라스틱 분석

Slider LUMOS II
Polymer in database
ATR Spectra of natural cellulose

미세플라스틱의 라만 분석

라만 현미경 분석을 이용하면 미세플라스틱 분석에 필요한 특징인 가장 작은 미세구조와 0.5µm 이상의 입자를 탐지할 수 있습니다. 그렇지만 라만 현미경의 탁월한 품질에는 약간의 시료 요구 사항이 있습니다.

라만 요구 사항 & 시료 준비

라만을 이용하여 미세플라스틱을 분석하려면, 조사하는 입자나 사용된 필터가 모두 형광을 내지 않아야 합니다. 또한 의도치 않게 시료가 가열되기 때문에 검정색 플라스틱과 고무는 쉽게 분석할 수 없습니다. 개별 시료의 물성에 맞춰 다수의 측정 변수를 조정해야 할 수 있기 때문에 라만 분석은 FT-IR에 비해 더 전문적인 지식이 필요합니다.

그러한 점을 제외하고는 라만의 시료 준비는 IR 분석과 상당히 유사합니다. 음용수는 예를 들면 금도금된 폴리카보네이트 등 적절한 필터 물질을 통해 걸러야 하며, 나무, 모래, 수초 등 불필요한 물질은 다양한 농도의 염용액으로 밀도 분리를 함으로써 사전에 제거해야 합니다. 예를 들면 유기질 및 조류 등 생물적 오염물질과 MP가 함께 쌓인 경우에는 시료를 여과하기 전에 효소 소화 및/또는 과산화수소 처리가 필요할 수도 있습니다.

미세플라스틱의 라만 측정과 이미징

첫 번째 방안은 육안으로 시료를 분석하고 각각의 미세플라스틱 입자를 탐색하는 것입니다. 암시야 조명 등 대비도 향상 도구를 활용하면 MP 입자를 탐지하는 데 도움이 될 수 있지만 자동 육안 분석을 이용하는 것이 더 안전하고 빠른 방법입니다. 로컬라이제이션을 한 후에 자동으로 입자를 측정하고 분석하게 됩니다. 발견된 입자의 정체는 흔히 발견되는 폴리머의 라만 스펙트럼 참조 라이브러리를 이용하여 쉽게 규명됩니다.

그렇지만 대비도가 낮은 투명한 MP는 놓치게 될 위험이 있습니다. 사람의 실수를 반드시 방지해야 하는 경우에는 자동 라만 이미징이 가장 좋습니다. 필터에 걸린 단일한 MP를 분석하는 대신에, 매우 좁은 측정 격자를 이용하여 필터 전체를 스캔할 수 있습니다. 이렇게 하면 분석 시간이 길어지지만 나중에는 단지 화학물질 대비도만을 이용하여 물질을 식별할 수 있습니다. 따라서 MP를 신뢰성 있게 정량하게 되고, 사람의 실수를 크게 줄일 수 있습니다.

미세플라스틱 입자의 라만 분석을 위한 최적의 접근법

다시 강조하자면, 이 질문에 대한 확실한 대답은 찾기가 어렵습니다. 종합적인 MPP 분석에 있어, 이미징뿐만 아니라 매핑도 각각 고유한 장점이 있는 유용한 방법들입니다. 시간 절약이 중요한 경우에는 매핑이 더욱 적합한 방법입니다.

MPP 분석 분야에 오랜 확고한 경험을 가진 진동(미세) 분광분석 전문가로서, Bruker는 미세플라스틱 분석을 위한 가장 적합한 솔루션을 찾도록 지원하고 있습니다. 더 자세한 정보가 필요하시면 문의해 주십시오.

SENTERRA II ocular open workplace model 4

미세플라스틱에 대해 더 알아보기

AN M144
PN M181
PN M184

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