微塑料

微塑料是指直徑小于5mm的塑料碎片和顆粒。近年來(lái)，以微塑料為代表的新型污染物受到的關(guān)注度持續(xù)提升，已經(jīng)有大量研究報(bào)道，微塑料對(duì)海洋生態(tài)以及生物和人類健康存在持久的、確定和不確定的危害。隨著微塑料污染關(guān)注度的提升和其生態(tài)效應(yīng)研究的深入，也對(duì)其研究手段也提出了更高的需求。

化學(xué)成像是將具有空間分辨能力的譜學(xué)信息與位置信息分析進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的表征技術(shù)，通過(guò)獲取來(lái)自被測(cè)樣品形貌、表面等信息進(jìn)而表征其相關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)。光譜成像作為化學(xué)成像中的重要一類，是通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的入射光照射樣品表面空間位點(diǎn)，收集所產(chǎn)生的反饋信號(hào)，構(gòu)建反映樣品表面化學(xué)和物理特性的圖像。通過(guò)利用島津極具特色的AIRsight紅外拉曼顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同尺寸的微塑料樣本的原位、多模態(tài)（紅外與拉曼）化學(xué)成像分析，為微塑料檢測(cè)和研究提供全新的方法和思路。

特色研究方案

本研究使用島津紅外拉曼顯微鏡對(duì)不同粒徑PS-DVB微塑料樣本（98μm，16μm）進(jìn)行顯微紅外及顯微拉曼分析（圖1A、圖2A）。以1003cm-1（苯環(huán)呼吸振動(dòng)峰）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖1D），同時(shí)以3082cm-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動(dòng)峰）為微塑料的紅外光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖1C）。由圖1A和圖1B中可見(jiàn)，對(duì)于98μm這樣尺寸較大的微塑料樣本，通過(guò)紅外光譜成像和拉曼光譜成像均可獲得與光學(xué)照片匹配度較高的化學(xué)成像（圖1C和圖1D），二者的空間分辨率可以滿足對(duì)單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)行有效成像和甄別。但是由于紅外光譜的光斑可以調(diào)節(jié)至更大，而拉曼光譜光斑受限于激光光源無(wú)法調(diào)節(jié)，所以紅外光譜成像更適合于大尺寸微塑料樣本的單顆粒形態(tài)成像分析。

圖1 98μm PS-DVB微塑料紅外與拉曼成像對(duì)比圖

對(duì)于小粒徑PS-DVB微塑料樣本（16μm），以1003cm-1（苯環(huán)呼吸振動(dòng)）為微塑料的拉曼光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖2D），同時(shí)以3082cm-1（苯環(huán)芳香C-H伸縮振動(dòng)）為微塑料的紅外光譜特征峰提取化學(xué)成像（圖2C）。由圖2A和圖2B中可見(jiàn)，對(duì)于16μm這樣尺寸較小的微塑料樣本，拉曼光譜成像可獲得與光學(xué)照片匹配度較高的化學(xué)成像（圖2C和圖2D），其成像分辨率可以滿足對(duì)單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)行有效成像和甄別；而紅外光譜成像對(duì)微塑料顆粒的成像幾乎呈現(xiàn)為區(qū)域連片的趨勢(shì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)微塑料顆粒進(jìn)行有效成像和甄別。

進(jìn)而借助于AIRsight紅外拉曼顯微鏡可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種光譜原位采集的功能特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小區(qū)域的微塑料進(jìn)行紅外光譜成像和拉曼光譜成像的原位采集和對(duì)比。如圖2黑線圈中區(qū)域內(nèi)有7個(gè)16μm PS-DVB微塑料顆粒，在拉曼光譜成像中，可以清晰呈現(xiàn)出7個(gè)微塑料的單顆粒形態(tài)的化學(xué)成像，而在紅外光譜成像中則無(wú)法有效呈現(xiàn)，僅可獲得整體分布走向趨勢(shì)的化學(xué)成像。由此可見(jiàn)，相比較于紅外光譜成像，拉曼光譜成像更適用于小尺寸的微塑料樣本的單顆粒形態(tài)成像分析。

圖2 16μm PS-DVB微塑料紅外與拉曼成像對(duì)比圖

而在天然湖泊水中，由于基質(zhì)自身含有的大量浮游生物及其他雜質(zhì)成分（圖3A中圈出部分為天然藻類）會(huì)產(chǎn)生高熒光背景干擾正常化學(xué)成像，可采用1003cm-1（苯環(huán)呼吸振動(dòng)特征峰峰端）和950 cm-1（苯環(huán)呼吸振動(dòng)特征峰峰底）的強(qiáng)度比率進(jìn)行化學(xué)成像提取來(lái)克服基質(zhì)產(chǎn)生的熒光背景干擾，如圖3B可見(jiàn)，利用AIRsight的拉曼成像模式和軟件自帶的多類型圖像提取功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際湖泊水樣本中的微塑料單顆粒進(jìn)行高空間分辨率化學(xué)成像。

圖3 天然湖泊水中微塑料拉曼成像

總結(jié)

AIRsight紅外拉曼顯微鏡通過(guò)將帶有成像功能的顯微紅外光譜和顯微拉曼光譜進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為微塑料樣本研究提供了大尺寸跨度、原位、多模態(tài)的光譜表征與化學(xué)成像分析手段，有望成為食品安全、生態(tài)環(huán)境等大健康領(lǐng)域更為有力的研究方法和工具。

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