基于拉曼光谱成像技术检测废水中微塑料

2022-11-18 00:37:00, oceanhood 上海如海光电科技有限公司







研究背景





微塑料分布在人类生活的整个生态环境中,在海洋、湖泊、河流、水生生物、空气、瓶装水及自来水等都检测到不同种类、不同浓度的塑料微粒。微塑料无法生物降解,只能通过物理作用和光化学作用形成越来越小的有毒碎片并进入食物链,最终进入人体。微塑料对人体健康的不利影响可导致遗传性病变、癌症及其他急慢性疾病。同时,研究表明塑料微粒由于具有比普通塑料污染物更高的比表面积,更易吸附环境中的其他污染物。随着环境条件变化,这些污染物又会溶出释放,从而对生物体产生毒性作用。

饮用水中微塑料颗粒数量较少,通常尺寸小于10μm。目前主要鉴定的方法有热分析法和红外光谱法。两者都是有损检测,且耗时较长。借助于显微拉曼可观察到疑似微塑料颗粒的形状、颜色,并进行原位鉴定。根据拉曼数据库中的标准谱图和样品谱图进行比对,可鉴定塑料种类。因此,选用显微拉曼光谱对微塑料进行检测是一种较好的方法。







微塑料的危害





除了水、土壤和空气,微塑料还遍布多种动物体,小到浮游动物,大到大型哺乳动物。微塑料进入动物体后,可阻塞或破坏其胃肠道,影响其摄食行为甚至导致动物死亡,亦可导致其生殖力下降、代谢改变和能量储备减少。微塑料主要通过呼吸道和消化道两种途径进入人体。PVC工人患肺癌的风险随年龄和工作年限的增加而升高。此外,暴露于合成纤维的工 人的肺组织活检显示不同程度的炎症、肉芽肿和间质纤维化。







基于拉曼光谱成像技术检测废水中微塑料





拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应,当用一定频率的激发光照射分子时,一部分散射光的频率和入射光的频率相等,这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞,没有能量交换时,才会出现这种散射,该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等,这种散射成为拉曼散射。

图1 入射光照射到物体上发生的两种散射






实验方法





图2 滤膜样品拉曼光谱采集过程

图3 滤膜样品拉曼光谱

从图中可以看到,不同透明颗粒具有明显的拉曼特征峰且特征峰位置一致,使用Uspectral-PLUS中数据库检测识别功能对其进行分析匹配,得知该透明颗粒成分主要为LDPE(低密度聚乙烯),相似度74%,其检测结果如图所示。

图4 数据库识别鉴定结果

图5 数据库中几种塑料拉曼标准谱图示例

图6 样品光学显微成像图及相应位置拉曼mapping图

低密度聚乙烯在染棉样品中分布较多,如图6所示,其中左图为样品局部显微明场成像图, 右图为在同一区域,以低密度聚乙烯1274cm-1处的拉曼特征峰为标准,绘制的样品拉曼光谱mapping成像图,图中绿色及黄色部分为样品含量高的区域,蓝色部分为含量低区域。

上述结果表明,mapping对样品中的低密度聚乙烯具有较好的成像效果,成像结果与实际相符,并且可检测出肉眼在光学显微镜下无法准确分辨的颗粒。







使用设备





本研究中用到的设备为MR-3CHANNEL-Portman785。

自动对焦,mapping, 高光谱,自动移动平台,支持多种波长,在生物医疗、光致发光、微塑料、二维材料石墨烯等科研领域中广泛应用。

MR532/785/1064显微拉曼光谱仪是由拉曼三通道模块、LED光源、金相显微镜等部分构成。操作简单,采集速度快,在短时间内观察到样品的微观结构与拉曼光谱信息,能够快速帮助用户对样品进行检测与分析。在生物医疗、光致发光、微塑料、二维材料石墨烯等科研领域中广泛应用。

如海自研的拉曼三通道模块可以支持532nm、633nm、785nm、830nm、1064nm等任意3个不同激发波长的拉曼光谱测量。模块中配置光路切换系统,可以通过软件进行不同波长激发的快速切换,并可对采集的拉曼谱图进行叠加对比分析。模块上的探头可以即插即用,对非常规形态的样品方便检测。可根据用户已有的显微镜定制适配的拉曼三通道模块,组装成显微拉曼光谱仪。

可支持拓展Mapping平台(即拉曼光谱成像功能),可以对样品微区进行拉曼光谱成像。用图像的方式直观显示样品的化学成分分布、表面物理化学性质等更多信息。高精度移动平台,最小步进1μm,可精确探测到样品的拉曼信号。软件功能完善,可实现自动聚焦功能、明场图像拼接以及mapping图像显示。

本文作者:刘瑞

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参考文献:

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关于我们





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公司先后被授予“高新技术企业”“专精特新”“研发机构”等多项国级省级荣誉认定,和国内多家主流研究机构和高校常年保持深度科研合作,并将继续保持持续创新性竞争优势,坚持自主创新能力和高端科研开发能力,与社会各界共创辉煌。

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