手把手教你利用拉曼，实现大样本量的微塑料表征 |前沿用户报道

2020-12-11 16:14:25, HORIBA HORIBA（中国）

编辑：凌霁玮

校阅：Norah

自20世纪50年代，人类开始大规模生产塑料，迄今共制造了近90亿吨塑料，其中60多亿吨已经成为垃圾，科学家将其中直径小于5毫米的纤维或塑料定义为微塑料。

这些塑料颗粒聚合物在生产过程中会加入添加剂来延长使用寿命，增加耐热性，提高抗氧化、抗降解性等，而其中的一些添加剂可能对生物体有潜在毒性。

微塑料俨然已成为海洋中的PM2.5，所引发的环境问题越来越突出，不仅影响海洋生态系统和内陆水域的可持续发展，还会富集污染物并通过食物链的传递危及人类。从北美五大湖到意大利的淡水湖泊中都检测出了高浓度的微塑料，我国从长江口到东南江河入海口也都被微塑料的阴霾笼罩。

在上期的微塑料专访文章中，我们为大家介绍了加拿大多伦多大学的Chelsea教授和马里兰大学的Alterra博士的微塑料科研工作。从访谈中我们了解到微塑料的传播和中长期危害，也知道了微塑料颗粒的形貌及化学性质研究的必要性。

图片来源：Discover Wildlife

那么，本期“前沿用户报道”专栏就带领大家具体了解：如何利用分析仪器来对微塑料的形貌和成分进行表征，并在此基础上对采集的颗粒进行鉴别和分类，让微塑料真正现形。相信通过对IUEM（欧洲海洋研究所）的Laura Frère，以及IFREMER（法国海洋开发研究院）的Emmanuel Rinnert 等几位老师的研究，能帮助到正致力于微塑料研究工作的朋友们。

拉曼分析！微塑料表征利器

研究的第一步是样本采集，目前微塑料的采样方式和采样工具尚未实现标准化，水域中的采样一般采用拖网，或是采集大量水样再到实验室中进行过滤。

下图中，科学家们正在利用拖网从海洋中采集颗粒，采集到的颗粒如下图右所示。

科学家们利用拖网从海水中采集的微塑料

（图片来源：China Daily）

那么，采集到的这些大小形状各异的颗粒，它们全都是微塑料吗？不一定。从环境中直接采集的颗粒通常还包括许多天然颗粒，例如石英等，所以我们需要对这些颗粒进行成分分析，筛选出其中的微塑料。

然而，利用传统的目检法对这些颗粒进行鉴别分类不仅耗时费力，而且还不能明确颗粒的成分，难以实现大量颗粒的表征统计。因此，选择合适的表征方式就显得尤为重要。

拉曼光谱仪就是一个绝佳的选择，它具有快速、精准分析样品成分、大面积表征，以及获取三维图像种种优势。近年来，科研人员们已经开始利用分析仪器来对微小颗粒进行分析，下图展示的就是Laura Frère等几位研究人员利用HORIBA LabRAM HR800显微拉曼光谱仪，同时结合ParticleFinder^TM技术对微塑料颗粒进行鉴别分类的流程。

HORIBA LabRAM^TM HR800显微拉曼光谱仪

结合ParticleFinder^TM技术进行微塑料研究

精准高效！水域中的“PM2.5”现形

选定了分析方式和分析仪器，研究人员开始对采集的样品进行分析。这些样品是使用拖网从法国布雷斯特湾采集完成，Laura Frère团队选取了其中103个颗粒进行分析，并加入7颗不含添加剂的标准聚合物颗粒用作参照。

法国布雷斯特湾采集的110个颗粒的白光图像

他们利用HORIBA LabRAM^TM HR800拉曼光谱仪对这110个颗粒样品拍摄了大面积的图像，并对这些颗粒进行定位、计数，然后对每个粒子形貌信息，包括粒径大小、粒子面积、直径和周长等进行统计。

随后，利用ParticleFinder^TM技术对颗粒进行自动定位，采集每个颗粒的中心位置光谱，然后再利用商用拉曼数据库进行对比检索，从而快速确定颗粒的化学成分。

微塑料颗粒的形貌信息及拉曼光谱

就这样，通过拉曼光谱进行的统计分析和成分鉴别，研究人员非常快速方便地得到了颗粒的成分和尺寸分布结果，既筛选出了样品中的微塑料颗粒，同时也完成了对这些颗粒的表征，可谓非常便捷。

更进一步！实现大样本量的拉曼分析

在分析完法国布雷斯特湾采集的103个颗粒后，接下来，为了进一步确认拉曼技术是否还能应用于更大样本量的微塑料颗粒表征，研究人员对从地表水中采集的962个颗粒，进行了成分及尺寸分布研究（如下图）。

地表水中采集的962个颗粒表征结果

从上面的条形统计图中我们可以清楚地看到这近千个颗粒中包含至少7种不同塑料，也能看出不同成分的塑料颗粒在尺寸上的差异。由此可见，即便是更大样本量的微塑料表征，拉曼光谱仪也能够胜任。

从样本采集到分析统计，细致繁琐的表征工作是微塑料研究领域的日常。表征工作虽繁琐却不可或缺，因为弄清微塑料的形貌和成分不仅有助于科学家们溯源微塑料的形成机制，也是评估微塑料危害的前提。幸运的是，科学家们可以利用拉曼分析技术来帮助他们快速完成工作，正如本文提到的HORIBA LabRAM^TM HR800拉曼光谱仪那样。

端起一杯水，饮下微塑料，这可不是个耸人听闻的段子。微塑料污染已经成为一个全球性环境问题，引起了各国政府的高度关注。联合国环境署已经将其列为全球亟待解决的十大环境问题之一。我国2007年出台限塑令，2016年提出对海洋和陆地水域微塑料进行监管。国家层面已经在加强环境保护和监控力度，我们普通公民也应该对塑料污染引起足够重视，尽量减少塑料的使用，增强环保意识，为同一片蓝天做出努力吧。

关于仪器

值得一提的是，在此次实验中，完成对一百个粒子的分析（形貌分析+拉曼鉴定）仅需约3个小时，其中实验员的操作只需要约1个小时。如果您想了解更多研究过程，可扫描下方二维码。如果您对本研究所使用的拉曼技术感兴趣，可点击文末“阅读原文”提交您的需求，我们的拉曼专家会为您解疑答惑。

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参考资料

1. 王西西等.中国海洋微塑料污染的研究现状与展望,《海洋科学》 2018年第42卷，第3期

2. 王菊英等. 应对塑料及微塑料污染的海洋治理体系浅析,《太平洋学报》 2018年第4期，第79-87页

3. Sharri Mosen. Plastics, Plastics everywhere. American Scientists

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