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EPA專家研究成果 | 使用激光紅外成像光譜對(duì)地表水中高通量微塑料顆粒進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)、定性和表征分析
近日，美國(guó)環(huán)保署在“Analytical and Bioanalytical Chemistry”上發(fā)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(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單的氧化消解，處理后直接過(guò)濾到金膜上，并使用安捷倫 8700 LDIR 紅外成像光譜儀進(jìn)行直接測(cè)試。通過(guò)儀器的全自動(dòng)操作流程，可獲取樣品中每個(gè)微塑料顆粒的形狀、尺寸以及定性結(jié)果等信息，且軟件同步對(duì)測(cè)試顆粒的總數(shù)量、定性結(jié)果占比及粒徑分布進(jìn)行了自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。利用該方法進(jìn)行樣品測(cè)試，回收率可達(dá)到 88.3% ± 1.2%。為了進(jìn)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(shù)據(jù)中的顆粒輪廓長(zhǎng)寬比的參數(shù)開(kāi)發(fā)了一種形狀分類算法，根據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)未知顆粒的自動(dòng)定性分析及統(tǒng)計(jì)，其原理為軟件的參數(shù)設(shè)置中內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的紅外譜庫(kù)，并將最低匹配度設(shè)置為 0.7。當(dāng)未知顆粒的定性匹配度高于 0.7 時(shí)，將按照最高匹配度結(jié)果進(jìn)行顯示。為驗(yàn)證定性結(jié)果的準(zhǔn)確性，作者購(gòu)買了海洋廢棄物研究中心的聚合物標(biāo)準(zhǔn)品并利用 LDIR 進(jìn)行了分析測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，LDIR 與 FTIR 定性結(jié)果相近。然而，由于 LDIR 具有自動(dòng)化簡(jiǎn)單快速的測(cè)試流程以及可重復(fù)的顆粒分析方法，使其成為高通量微塑料測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單前處理，該方法適用于雜質(zhì)較少的樣本。如采集環(huán)境樣品中有機(jī)、無(wú)機(jī)雜質(zhì)比較多時(shí)，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(jīng)過(guò)微波震蕩 10 min 后取出濾膜，將錐形瓶放入 60℃ 的震蕩培養(yǎng)箱中反應(yīng)至澄清，約需 1–2 天；
02
采用浮選溶液進(jìn)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(duì)溶液進(jìn)行過(guò)濾，10 μm 濾膜需要使用適量的超純水及無(wú)水乙醇沖洗后進(jìn)行低溫干燥；
04
將 10 μm 濾膜上的顆粒通過(guò)微波振蕩方式轉(zhuǎn)移至無(wú)水乙醇溶液中，并將乙醇溶液濃縮至 100 μL 后轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)反射窗片上使用 8700 LIDR 激光紅外成像進(jìn)行測(cè)試；500 μm 濾膜上的顆?？赏ㄟ^(guò)手動(dòng)挑取方式使用 Cary630 FTIR 搭配鉆石 ATR 附件進(jìn)行測(cè)試。
05
注：其中具體的消解次數(shù)及浮選次數(shù)需要根據(jù)樣品的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。
兩種不同模式樣品測(cè)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(cè)試方式，如圖 2 所示。用戶可根據(jù)樣品的具體情況進(jìn)行靈活選擇。
01
窗片法
將前處理完畢的樣品過(guò)濾到金屬濾膜，并將金屬濾膜放置在無(wú)水乙醇溶液中進(jìn)行超聲脫附，然后將濃縮后的無(wú)水乙醇溶液滴到 2.5×7.5 cm 的反射窗片上。隨著無(wú)水乙醇溶液在窗片上揮發(fā)延展將微塑料顆粒帶到窗片的不同位置上，待乙醇揮發(fā)干后顆粒自然沉積，儀器可對(duì)整個(gè)窗片進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的影響。
02
濾膜法
將前處理完畢的樣品直接過(guò)濾到金膜上，并將金膜置于樣品臺(tái)后進(jìn)行直接自動(dòng)測(cè)試。樣品臺(tái)可一次性同時(shí)放置兩個(gè)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(guò)程中樣品無(wú)需多次轉(zhuǎn)移，可最大限度的減少對(duì)樣品的交叉污染及顆粒損失。
圖 2. 兩種不同模式樣品測(cè)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(cè)試解決方案
8700 LDIR 紅外成像光譜儀采用量子級(jí)聯(lián)激光器作為光源，搭配安捷倫開(kāi)發(fā)的高度智能化 Clarity 軟件，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微塑料顆粒識(shí)別、圖像采集、紅外譜圖測(cè)試、尺寸信息以及定性結(jié)果統(tǒng)計(jì)等。與此同時(shí)，還可獲得每個(gè)顆粒的形態(tài)分析數(shù)據(jù)，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(guī)傳統(tǒng)紅外顯微儀器很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)試。而 8700 LDIR 紅外成像高精度的顆粒識(shí)別方法，可將大于 10 um 以上的顆粒全部自動(dòng)識(shí)別并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)試。測(cè)試全程由軟件自動(dòng)控制，最大限度的消除了人為誤差的影響，為實(shí)驗(yàn)室間進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比提供了更多可行性。圖 3 為使用 8700 LDIR 紅外成像光譜儀測(cè)試的水中微塑料顆粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
圖 3. 8700 LDIR 紅外成像測(cè)試飲用水樣品中的微塑料統(tǒng)計(jì)結(jié)果
結(jié)語(yǔ)
文中作者利用 LDIR 技術(shù)完成了對(duì)城市地表淡水樣品中微塑料顆粒的檢測(cè)、定量及形態(tài)表征，且首次使用 ASTM D8332 方法在自然水系統(tǒng)中進(jìn)行了微塑料樣本采集。作者在環(huán)境樣本中監(jiān)測(cè)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(shí)別出微塑料顆粒，同時(shí)還能夠鑒別出其他與基質(zhì)有密切關(guān)系的天然顆粒，如泥沙、蛋白等，以及基質(zhì)中未消解干凈的常見(jiàn)有機(jī)、物質(zhì)干擾物。前處理后的樣品過(guò)濾到金膜上，可直接上機(jī)完成分析測(cè)試。與傳統(tǒng)的FTIR測(cè)試方法相比，LDIR 的顆粒表征更加自動(dòng)化，且每個(gè)顆粒的分析時(shí)間僅為 8s，因此可以在相同的時(shí)間下完成更多樣品的分析測(cè)試工作。此外，作者使用標(biāo)準(zhǔn)品對(duì) LDIR 及 FTIR 的定性結(jié)果準(zhǔn)確度進(jìn)行了比對(duì)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出 LDIR 可以獲得與 FTIR 基本一致的測(cè)試結(jié)果。所以，作者建議在進(jìn)行大通量環(huán)境樣本微塑料測(cè)試時(shí)可使用 LDIR 方法完成顆粒的定性、定量及形態(tài)的表征。