大家好，我是一篇关于微塑料测试技术的科普文

2020-10-16 11:07:06, 安捷伦科技安捷伦科技（中国）有限公司

国际上通常将粒径低于 5 mm 的塑料碎片定义为微塑料，其形态、来源及种类各异。全球科学家在不同的领域和维度对微塑料进行了很多研究，以确认其对生态环境及人类造成的长期影响。

在我们的生活环境中，无论是河流、湖泊、海洋、土壤、空气以及动物体内，都检测出了微塑料颗粒。研究表明，粒径越小的颗粒对人类的影响可能越大。目前，国际上并没有统一的标准来对不同来源的样本进行检测，这一点对微塑料的研究对比带来了很大的困扰。各国学者大量的研究表明：红外光谱是一种有效的微塑料定性手段。与此同时，结合一些数据分析软件可以实现微塑料样品的半定量测试。

目前，国际上并没有统一的标准对不同来源的样本进行检测，这一点为微塑料的研究对比带来了很大的困扰。各国学者大量的研究表明：红外光谱是一种有效的微塑料定性手段。化合物吸收红外光后引起分子振动和转动能级跃迁而产生吸收光谱，由于分子中官能团吸收红外光的特征波长不同，所以化合物的红外光谱都是独一无二的，又称分子的指纹谱图，非常适合化合物的定性鉴别。这也是为什么在微塑料解决方案中，很多研究人员都选择红外光谱的原因。与此同时，结合一些数据分析软件，可以实现对微塑料样品的半定量测试。

本文将介绍近些年红外技术在微塑料测试中的应用发展，通过对不同测试方法及结果进行对比，让大家能够清楚的了解到每种技术在微塑料测试方案中具体工作流程及优缺点。

不同粒径的微塑料颗粒如何选择红外测试技术？

大尺寸颗粒（>1000 μm）：常规的傅里叶变换红外光谱仪搭配衰减全反射(ATR)附件即可完成定性分析。此类颗粒在样本中占比低，可以手动挑取，逐一完成测试。
小尺寸颗粒（<1000 μm）：肉眼已经很难识别，需要借助红外显微设备才可完成测试。

常见的红外显微技术包括单点红外显微镜、线阵列红外显微镜、焦平面红外成像以及激光红外成像等。以上几种技术均可进行微米级别颗粒的分析，但是在分辨率和工作流程上存在差异，导致可分辨的最小颗粒尺寸、测试的自动化程度和效率上存在区别。

单点红外显微镜是目前市场上比较普及的显微红外技术，在红外主机上搭配显微镜或者采用一体式的红外显微镜，将微米级别的样品放大后采集其红外光谱。仪器采用液氮制冷的单点 MCT 检测器，比常规红外设备上的氘代硫酸三甘肽（DTGS）检测器的灵敏度高一个数量级以上，因此测试微米级别的样品也能获得较好的信噪比。在测试过程中需要使用光阑将目标物圈中，理论上空间分辨率可以达到 10 μm。

在测试微塑料样品时，需要先在高倍率可见光显微镜下用镊子将滤膜上的微塑料颗粒挑出来，放置在钻石池附件上压扁，然后采用红外显微镜的透射模式进行测试，具体工作流程示意图如图 1 所示。

图 1. 单点红外显微镜测试微塑料样品工作流程

优点：

采用钻石池模式测试能够获得较高信噪比的谱图。

缺点：

1）受人工手动挑取的技术限制，仅能测试 100-200 μm 以上的样品；

2）挑取技术水平和人眼识别判断力有差异，不同实验室之间数据不能统一化、标准化；

3）工作量大，效率低：从挑取、钻石池样品制备到光谱采集，整个过程大概需要 5-10 min。一个工作人员 8 小时连续作业也仅能测试 80 个颗粒左右，且不包括数据统计，工作效率低。无法满足海量微塑料检测需求；

4）数据处理繁琐：获得谱图后，进行定性分析需要人为进行最终结果判断；如需存储颗粒原始可见光图像，必须借助具有拍照功能的高倍显微镜测试前单独拍照存储，并与最终的测试谱图数据一一对应，过程复杂繁琐；

5）数据不可追溯：样品通过钻石池测试后被破坏，如对测试结果存疑无法进行数据重现或追溯；

6）测试人员一直在强光的环境下工作，对眼睛的伤害很大。

线阵列红外显微镜的检测器从单点 MCT 升级为线性 MCT（如 16 位检测器）。一次扫描，可同步获得样品一条线上的 16 个点的谱图。通过连续的多次线扫描，拼图获得整个面上样品的红外谱图。

图 2. 线阵列红外显微镜工作原理示意图

线阵列红外显微镜的空间分辨率与单点红外显微镜相比，空间分辨率没有提升，但测试速度要比单点显微镜快。使用该技术测试微塑料样品的工作流程和测量模式与单点红外显微镜基本一致。

焦平面红外成像采用二维面阵列（32*32，64*64，128*128）检测器。以 128*128 焦平面为例，其将待测区域分割为 128*128 个小区域，每个区域面积为 5.5 μm * 5.5 μm，仪器一次扫描可以得到 16384 张红外光谱，测试面积达到 700 μm * 700 μm，空间分辨率为 5.5 μm。配置特殊的光路放大系统，在高分辨率模式下甚至可以达到 1.1 μm。对微小颗粒的检测极限比单点显微镜和线阵列显微镜极大提高。

图 3. 焦平面红外成像工作原理示意图

与单点红外显微镜测试微塑料的方案不同，使用红外成像技术可以实现样品的自动化测试。将滤膜上的微塑料颗粒通过乙醇超声萃取并全部转移到一个完整的窗片上，仪器通过自动聚焦将平面上的区域逐步自动扫描，获得平面内所有位置点下的红外谱图。然后借助数据分析软件对数据进行自动解析，实现定性及颗粒尺寸半定量的工作。

在整个解决方案中可采用两种不同模式实现不同粒径颗粒的自动测试：

1）1-80 μm 的颗粒先转移到透射窗片上，然后通过透射模式进行测试；

2）大于 80 μm 的颗粒先转移到反射窗片上，然后通过反射模式进行测试。

分级测试的原因在于：小于 80 μm 的颗粒，在透射模式下可以得到高质量的光谱图，实现准确定性，而大于 80 μm 的颗粒，红外光很难透过，在透射模式下谱图信噪比差，吸收峰容易饱和，给谱图的准确定性检索带来困难，所以这类颗粒建议采用反射模式检测。

图 4. 焦平面红外成像微塑料样品测试流程

测试结束后，需要将所获得的数据全部导入数据处理软件，处理后软件将生成一个微塑料颗粒的统计列表，其中包含了颗粒的定位，颗粒定性信息以及尺寸信息等，如图 5 所示。

图 5. 焦平面红外成像微塑料数据处理软件结果显示

优点：

1）全自动化方案：无需手动挑取颗粒，即可实现全部颗粒的自动测试;

2）无接触式测量，数据可追溯：无论是透射还是反射模式，样品转移到窗片后均为无接触测量。如用户对测试结果存疑，可进行样品追溯或二次测量。

缺点：

1）数据量巨大：测试窗片上1×1 cm²面积，128*128 焦平面红外成像将得到 33 Gb 数据，420 万张谱图，电脑系统容易宕机；

2）数据分析时间长：上述实验数据采集时间约 3 小时，数据处理时间约 8 小时；

3）无效数据多：上述实验获得的 420 万张谱图中含有的微塑料颗粒总数仅为 871 个，即采集的绝大部分谱图信息与微塑料无关。

激光红外成像技术为近两年发展的新技术，其工作原理与傅立叶变换红外光谱仪完全不同：

1）仪器采用量子级联激光器（QCL）为光源，其光源能量强度是传统红外光源的 10000 倍以上，且准直激光经过光路转换后直接照射到样品。即使微米级小样品，也能获得信噪比足够高的红外光谱图，从而实现准确定性；

2）量子级联激光器可在一定波长范围内以极快的速度自动调节波长，进而获得样品在整个光谱范围内的红外谱图；

2）激光红外成像整个系统无需传统傅里叶变换光谱仪的干涉仪和分束器等部件，光源在光路中的能量损失小，具有极高的稳定性和耐用性。

图 6. Agilent 8700 LDIR 激光红外成像光谱仪

在微塑料测试过程中，需要将滤膜上的样品通过乙醇超声萃取，并将所有溶液浓缩后转移到反射窗片上，通过反射吸收模式（即激光穿过样品到达窗片，并反射回来达到检测器）进行全自动非接触式测量。在此模式下，空间分辨率最高可达到 5 μm 左右。软件内置了全自动测试的工作流程，操作人员仅需将样品插入样品仓后，软件可自动完成颗粒样品定位、图像采集、谱图采集、颗粒粒径信息获取、定性结果自动匹配、颗粒数统计以及粒径分布统计等。具体测试流程如图 7 所示。

图 7. 激光红外成像微塑料测试工作流程图

激光红外成像系统软件首先对整个窗片进行全扫描并自动识别定位上面的所有颗粒，然后对识别出的颗粒依次进行全谱图扫描。与传统焦平面红外成像系统扫描所有区域不同，激光红外成像系统仅对识别出的颗粒位置处进行谱图采集，因此不会浪费任何时间在无效数据采集上。每个颗粒从定位、图像采集、谱图采集以及数据处理的平均总时间仅为 8 s，最快可达 1 s。如检测上述焦平面红外成像系统的样品案例，871 个颗粒的测试时间仅需 2 小时，其中包括完成全部样品的数据采集及处理工作，并能获得完整的数据统计信息。测试及统计结果如图 8 所示。

图 8. 激光红外成像自动测试流程，从左至右依次为：窗片颗粒分布图；图像采集、尺寸信息及定性结果；颗粒数及定性结果总数统计结果；粒径分布统计结果

观看 8700 LDIR 激光红外成像具体测样视频。

在测量微米级微塑料颗粒时没有选用 ATR 模式的原因?

ATR 作为一种接触式测量的技术，测试过程中 ATR 附件晶体需要与微塑料颗粒紧密接触才可获得样品的红外信号。在测试结束后微塑料颗粒很容易黏在附件晶体表面上，所以每测完一个样品后都需要对晶体表面进行清洗后才能进行下个样品的谱图采集，因此该技术无法实现全自动采集样品谱图的要求。此外，在显微红外设备中 ATR 附件最常采用的是锗晶体。优点是锗晶体折射率较高，适用于绝大多数不同类型的样品测试。缺点是锗晶体的硬度相对较差，在测试比较坚硬的样品时，晶体表面很容易被刮花造成损伤。微塑料处理完后，其中不可避免的夹带少许泥沙等无机物，导致 ATR 晶体经常损坏，更换维护成本很高。因此，在测试微塑料样品的过程中，无论是从测试的便利性或是性价比角度看并不建议用户使用 ATR 的模式进行谱图采集，而透射或者反射这种非接触测量模式则是比较理想的选择。

安捷伦一直在保持创新的道路上前进，随着公司显微红外技术的发展，微塑料测试解决方案也经历了一个质的飞跃。目前安捷伦采用的 8700 LDIR 激光红外成像微塑料解决方案基本消除了人为误差的影响，具有极高的效率和可操作性，为未来微塑料测试方法实现标准化奠定了基础。

如果想了解包括微塑料样品前处理的安捷伦整体解决方案，请向左滑动图片进行阅览及下载。