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使用紅外光譜成像分析廢水、沉積物和動物體內的微塑料
閱讀：21 發布時間：2024-12-17前言近年來，塑料污染越來越多地進入研究人員、政界人士和公眾的視線。微塑料(< 5 mm) 尤其是大家關注的焦點，人們懷疑它們會在環境和水生生物中積聚 [1]。微塑料來源眾多，其在環境中保留數百年后才能被最終分解。然而，人們對環境和水生生物中微塑料的積聚水平和影響了解甚少。部分原因是缺乏標準的分析方法，以及目前的分析技術過于耗時導致實踐困難。之前發表的研究成果依靠目視識別對樣品中的塑料進行定量 [2]。本研究開發了從環境樣品中提取微塑料的可靠方法。采用傅立葉變換紅外 (FTIR) 光譜成像技術對各種微塑料類型進行定性和定量分析 [3,4]。
實驗部分樣品在一段時間內從丹麥維堡的一個濕蓄水池中采集樣品，包括沉積物、水、三脊棘魚和水蛭。研究中未對水生動物展開深入分析，僅用其驗證了動物群體中微塑料的檢測結果。池塘接收雨水徑流并保留了道路上的污染物，可能導致微塑料的濃度增加。總共從池塘中收集 50 L 水。每批次采水樣 10 L，收集在螺口蓋涂覆 Teflon 涂層的 2 × 5 L 培養基儲瓶中。采樣位置如圖 1所示。用一個直徑 5 cm 的玻璃采樣器（采樣位置見圖 1）在距離池塘邊緣 1–2 米處收集沉積物樣品。將每份沉積物樣品的頂層液體轉移至玻璃罐中。如圖 1 所示，使用池塘中鋪設的漁網捕獲魚樣品。用袋網捕獲其他動物群樣品，然后放入裝有純乙醇的玻璃瓶中。然后將這些樣品放在冰上，以 –20 °C 的溫度保存在實驗室中。
樣品前處理所有玻璃器皿在使用前都要沖洗三次，并蓋好所有設備、樣品等，以防受到空氣中微塑料的污染。分析環境樣品中的微塑料時，主要挑戰是如何去除有機物/生物體。由于許多塑料都有疏水性，有機物會在塑料表面聚集，因此在對微塑料進行光譜表征之前，必須先去除有機物。用H2O2 氧化作為主要預處理方法，因為這種方法可以在保持塑料不變的同時去除有機物。
通過篩分并用乙醇沖洗以富集水樣中的塑料，然后將乙醇蒸發。對沉積物樣品進行篩分與冷凍干燥，然后通過 H2O2 氧化去除有機物。再用重量分離法分離無機和有機組分。動物群樣品的前處理方法是在每 1 g 干重的冷凍干燥樣品中加入 60 mL 的 5 M KOH。然后將該溶液在 45 °C 下攪拌 48 小時。加入超純水，之后篩分樣品。將三種樣品類型的最終富集塑料顆粒樣品分別懸浮于乙醇中。將粒徑 > 80 µm 的樣品沉積到紅外反射載玻片 (MirrIR,Kevley Technologies) 上，進行反射模式 FTIR 成像分析。將粒徑 < 80 µm 的樣品沉積在氟化鈣 (CaF2) 紅外透明窗片上，烘干用于隨后的透射模式分析。經過處理后，微塑料顆粒將粘附在載玻片上，用于 FTIR 成像分析。
儀器使用傅立葉變換紅外 (FTIR) 成像系統對樣品中的微塑料進行定性和定量分析。系統中包括一臺 Agilent Cary 620 FTIR 顯微鏡，與 Agilent Cary 670 FTIR 光譜儀聯用。顯微鏡上配備了一個 128 × 128 像素的焦平面陣列 (FPA) 檢測器，能夠以 15 倍的放大率在每區塊 700 × 700 微米的區域中同時采集 16384幅光譜圖。儀器可以自由切換反射和透射兩種模式。儀器設置如表 1 所示。
數據處理FTIR 成像數據分析通過使用丹麥奧爾堡大學開發的 MPhunter軟件與德國阿爾弗雷德韋格納研究所合作完成。MPhunter 將一系列參比譜圖關聯到 FTIR 成像系統獲得的譜圖中。然后其使用原始譜圖（未衍生）和第一第二衍生譜圖將圖像中所有譜圖（本例中共 420 萬譜圖）關聯到每一個加載的參比譜圖，使用整個譜圖范圍或選定范圍內的波數并在 0 和 1 之間產生一個分數，表明擬合優度。這三種相關性可單獨加權。為檢測樣品中的微塑料，采用一種自動算法將數據庫中的所有參比譜圖與圖像中的所有譜圖進行比較。在這種情況下，采用了塑料聚合物和天然材料的 113 張參比譜圖，其顯示出與樣品塑料譜圖具有相似性。將譜圖數據庫中的各種材料分配到不同的材料組，如 PP、PE、PET 等等。用于微塑料顆粒檢測的算法采用 2 個概率評分閾值。首先，該算法找尋所有最高概率評分的像素（本例中每個像素概率分數為 113）并將其歸為塑料材料，同時尋找評分高于較高閾值的所有像素。此外，該算法分析所有相鄰像素，如果它們擁有與所屬材料組同類型的材料且概率評分高于第二閾值，則添加這些像素為塑料顆粒。
現有相關性中，原始譜圖的權重為 0（意味著不在考慮范圍內），而第一和第二衍生圖權重都為 1，意味著最終分數是第一和第二衍生圖分數的平均值。不考慮原始譜圖的原因是傾斜的基線（樣品形狀尺寸造成光散射）往往帶來誤導性的結果，而在使用衍生圖時不會遇到此問題。圖形輸出可以是顏色相關的圖像，每個像素通過最近的譜圖匹配進行顏色編碼，以及/或者生成第二圖像顯示用戶特定選擇的參比材料的熱點圖。然后分析已鑒定的塑料顆粒，找出顆粒像素之間的最長距離，從而獲得顆粒的主要尺寸。假定顆粒形狀為橢圓且知道掃描中顆粒的面積，從而獲得次要尺寸。第三尺寸厚度，假定為次要尺寸的 0.67 倍。假定顆粒是橢圓，計算其體積。根據體積和已鑒定塑料材料的密度來計算質量。這些顆粒的參數以列表形式顯示，便于導出。請參閱圖 3 示例。
結果與討論通過分析樣品的 FTIR 圖像，對樣品中的塑料進行定性與定量分析。該分析需要去除目標物以外的大部分物質。為達到此目的，對每種不同類型樣品（如水、沉積物、魚）的前處理方法進行了優化。透射測定（粒徑 10–80 µm）的所有 113 個參比譜圖的完整相關性圖像，如圖 3 所示。乍看之下，很明顯大部分顆粒是天然原料，比如纖維和蛋白質。尤其可以看到纖維顆粒，它們均來源于纖維素材料。圖 4 展示了原始譜圖（未衍生）和第一衍生圖中，定性為聚丙烯的像素和聚丙烯參比圖之間的對比。它清楚地表明，采用衍生圖可以有效減少散射造成的光譜偏移和基線傾斜（與樣品的顆粒性質相關），從而提供與參比譜圖更好的相關性。