热点应用丨红外光谱和拉曼光谱技术在微塑料分析中的应用

2025-04-22 10:04:19, 天美

简介

微塑料污染日益普遍，对生物体存在潜在的危害。如今，微塑料在自然环境中无处不在，各种研究报告显示，在食品、人体器官甚至生物体液中发现了微塑料^[1,2]。

为了获得关于塑料在自然环境中分布的准确数据，确定微塑料尺寸分布和化学成分的测试方法至关重要。微塑料分析中最常用的两种技术是红外光谱（FTIR）和显微拉曼光谱分析技术。这两种方法都可以快速提供具有高分子特异性的光谱，同时具有非破坏性，是少量样品分析的理想选择。

红外光谱分析适合快速批量的样品测量，以确定样品中聚合物的化学结构。显微拉曼光谱在红外光谱信息的基础上，得到样品中每单个颗粒的化学特性和形态特征的数据。

本文将展示如何使用爱丁堡红外光谱仪IR5和共聚焦显微拉曼光谱仪RM5对混合微塑料样品进行高效的分析。

样品和测试

微塑料样品：聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE）粉末混合样品（从Sigma Aldrich购买）；

测试仪器：（如图1所示）

红外光谱仪IR5+ATR附件（Ge晶体）；

显微拉曼光谱仪RM5（532 nm激光器、10×物镜）。

图1 爱丁堡红外光谱仪IR5 和显微拉曼光谱仪RM5

结果与讨论

1. 红外光谱仪的快速、高通量样品分析

使用红外光谱技术分析微塑料混合物时，将PE和PTFE的混合物直接放置在ATR晶体上并获取光谱。PE是世界上最常用和生产的塑料之一，从塑料袋到管道，包括医疗植入材料，都可以看到它的身影。PTFE（常被称作Teflon），由于其不粘特性，通常用于炊具生产。它们的化学结构如图2所示。

图2 PE和PTFE的化学结构

图3显示了混合样品的红外光谱以及纯PE和PTFE样品的红外光谱。将混合样品光谱与参考样品（纯物质样品）进行比较，在1204cm^-1和1150cm^-1处的峰是由于混合样品中含有的PTFE；其他峰（如2916cm^-1, 2847cm^-1, 1469cm^-1, 719cm^-1）是PE样品的特征峰。

图3 混合样品（蓝色）、纯PE（红色）、纯PTFE（绿色）的红外光谱图

测试结果使用KnowItAll^®光谱库进行验证，并对光谱进行了多组分分析，以确定其成分^[3]。KnowItAll^®分析结果表明，混合物样品中光谱信号是由PE和PTFE的信号峰组成。

2. 显微拉曼光谱仪对微塑料样品的空间分辨

红外光谱技术用于快速批量样品分析，显微拉曼光谱技术用于单个颗粒的识别和表征，用于深入了解样品中聚合物的分布和形态。运用爱丁堡显微拉曼光谱软件Ramacle^®中的颗粒分析模块--ParticleMAP^®进行样品分析，可以得到微粒个体的标记和形态表征。

将混合后的微塑料样品放在不锈钢载玻片上，置于显微镜下。软件中使用过滤器，以避免检测到视场边缘的颗粒，并忽略面积小于30μm²的颗粒。图4显示了使用ParticleMAP^®检测到选定的分析区域颗粒。

图4 A）选定的样品颗粒分析区域；B）ParticleMAP^®下颗粒的成像

显微拉曼光谱仪RM5会对检测到的每个颗粒进行自动拉曼光谱测量。检测到的30个颗粒中，17个是PTFE，其余13个是PE。每种颗粒类型的拉曼图谱如图5所示。在颗粒检测过程中，除了颗粒的识别信息，还会得到每个颗粒的大小信息，如表1所示。

图5 PE（红色）和PTFE（绿色）的拉曼图谱

表1：颗粒类型和面积信息

获得样品中颗粒的大小信息是至关重要的：塑料颗粒（微塑料）大小对了解水环境中的颗粒分布和运动模式，以及颗粒进入人体和逃避过滤器的能力有重大影响^[4]。

结论

微塑料的检测和表征是在全球范围内解决塑料污染问题的关键。因此，分析方法需要不断进行优化和改进，以提供快速的结果。红外光谱和拉曼光谱分析技术为表征和研究微塑料提供了无与伦比的分析能力（即使是复杂的混合物样品）。使用爱丁堡红外光谱仪IR5光谱仪和显微共聚焦拉曼光谱仪RM5，可以快捷、高效进行大量的样品分析并获得全面的颗粒（微塑料）信息。