新污染物检测特色分析技术——红外拉曼显微镜助力微塑料化学成像可视化分析

2024-03-29 10:35:42, 创新中心 岛津企业管理(中国)有限公司/岛津(香港)有限公司


微塑料

微塑料是指直径小于5mm的塑料碎片和颗粒。近年来,以微塑料为代表的新型污染物受到的关注度持续提升,已经有大量研究报道,微塑料对海洋生态以及生物和人类健康存在持久的、确定和不确定的危害。随着微塑料污染关注度的提升和其生态效应研究的深入,也对其研究手段也提出了更高的需求。

化学成像是将具有空间分辨能力的谱学信息与位置信息分析进行有机结合的表征技术,通过获取来自被测样品形貌、表面等信息进而表征其相关的物理和化学性质。光谱成像作为化学成像中的重要一类,是通过使用不同波长的入射光照射样品表面空间位点,收集所产生的反馈信号,构建反映样品表面化学和物理特性的图像。通过利用岛津极具特色的AIRsight红外拉曼显微镜,实现了对不同尺寸的微塑料样本的原位、多模态(红外与拉曼)化学成像分析,为微塑料检测和研究提供全新的方法和思路。

特色研究方案

本研究使用岛津红外拉曼显微镜对不同粒径PS-DVB微塑料样本(98μm,16μm)进行显微红外及显微拉曼分析(图1A、图2A)。以1003cm-1(苯环呼吸振动峰)为微塑料的拉曼光谱特征峰提取化学成像(图1D),同时以3082cm-1(苯环芳香C-H伸缩振动峰)为微塑料的红外光谱特征峰提取化学成像(图1C)。由图1A和图1B中可见,对于98μm这样尺寸较大的微塑料样本,通过红外光谱成像和拉曼光谱成像均可获得与光学照片匹配度较高的化学成像(图1C和图1D),二者的空间分辨率可以满足对单个微塑料颗粒进行有效成像和甄别。但是由于红外光谱的光斑可以调节至更大,而拉曼光谱光斑受限于激光光源无法调节,所以红外光谱成像更适合于大尺寸微塑料样本的单颗粒形态成像分析。

图1 98μm PS-DVB微塑料红外与拉曼成像对比图

对于小粒径PS-DVB微塑料样本(16μm),以1003cm-1(苯环呼吸振动)为微塑料的拉曼光谱特征峰提取化学成像(图2D),同时以3082cm-1(苯环芳香C-H伸缩振动)为微塑料的红外光谱特征峰提取化学成像(图2C)。由图2A和图2B中可见,对于16μm这样尺寸较小的微塑料样本,拉曼光谱成像可获得与光学照片匹配度较高的化学成像(图2C和图2D),其成像分辨率可以满足对单个微塑料颗粒进行有效成像和甄别;而红外光谱成像对微塑料颗粒的成像几乎呈现为区域连片的趋势,无法实现对单个微塑料颗粒进行有效成像和甄别。

进而借助于AIRsight红外拉曼显微镜可实现对两种光谱原位采集的功能特点,可以实现对微小区域的微塑料进行红外光谱成像和拉曼光谱成像的原位采集和对比。如图2黑线圈中区域内有7个16μm PS-DVB微塑料颗粒,在拉曼光谱成像中,可以清晰呈现出7个微塑料的单颗粒形态的化学成像,而在红外光谱成像中则无法有效呈现,仅可获得整体分布走向趋势的化学成像。由此可见,相比较于红外光谱成像,拉曼光谱成像更适用于小尺寸的微塑料样本的单颗粒形态成像分析。

图2 16μm PS-DVB微塑料红外与拉曼成像对比图

而在天然湖泊水中,由于基质自身含有的大量浮游生物及其他杂质成分(图3A中圈出部分为天然藻类)会产生高荧光背景干扰正常化学成像,可采用1003cm-1(苯环呼吸振动特征峰峰端)和950 cm-1(苯环呼吸振动特征峰峰底)的强度比率进行化学成像提取来克服基质产生的荧光背景干扰,如图3B可见,利用AIRsight的拉曼成像模式和软件自带的多类型图像提取功能,可以实现对实际湖泊水样本中的微塑料单颗粒进行高空间分辨率化学成像。

图3 天然湖泊水中微塑料拉曼成像

总结

AIRsight红外拉曼显微镜通过将带有成像功能的显微红外光谱和显微拉曼光谱进行有机结合,为微塑料样本研究提供了大尺寸跨度、原位、多模态的光谱表征与化学成像分析手段,有望成为食品安全、生态环境等大健康领域更为有力的研究方法和工具。

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