EPA专家研究成果 | 使用激光红外成像光谱对地表水中高通量微塑料颗粒进行自动化检测、定性和表征分析

近日，美国环保署在“Analytical and Bioanalytical Chemistry”上发表了题为“A high-throughput, automated technique for microplastics detection, quantification, and characterization in surface waters using laser direct infrared spectroscopy”的研究论文，由 Quinn T. Whiting 作为第 一作者完成。

作者在三条城市的溪流中采集了样品，并使用芬顿法对样品进行简单的氧化消解，处理后直接过滤到金膜上，并使用安捷伦 8700 LDIR 红外成像光谱仪进行直接测试。通过仪器的全自动操作流程，可获取样品中每个微塑料颗粒的形状、尺寸以及定性结果等信息，且软件同步对测试颗粒的总数量、定性结果占比及粒径分布进行了自动统计。利用该方法进行样品测试，回收率可达到 88.3% ± 1.2%。为了进一步分析样品中的微塑料颗粒，作者利用软件提供的原始数据中的颗粒轮廓长宽比的参数开发了一种形状分类算法，根据该算法可以将颗粒按照形状筛分为纤维、纤维碎片、碎片及球形碎片。在样品中大约有一半为碎片，其他形状占比约占另一半。与 8700 LDIR 搭配使用的 Clarity 软件可实现对未知颗粒的自动定性分析及统计，其原理为软件的参数设置中内置了标准的红外谱库，并将Z 低匹配度设置为 0.7。当未知颗粒的定性匹配度高于 0.7 时，将按照Z 高匹配度结果进行显示。为验证定性结果的准确性，作者购买了海洋废弃物研究中心的聚合物标准品并利用 LDIR 进行了分析测试，从测试结果来看，LDIR 与 FTIR 定性结果相近。然而，由于 LDIR 具有自动化简单快速的测试流程以及可重复的颗粒分析方法，使其成为高通量微塑料测试 用户的Z 佳选择。

图 1. 8700 LDIR 红外成像光谱仪

地表水样品前处理流程

本文作者使用了芬顿氧化消解的方式对样品进行简单前处理，该方法适用于杂质较少的样本。如采集环境样品中有机、无机杂质比较多时，可参考以下流程完成样品的前处理：

01、将采样金属滤膜置于盛有 H2O2 溶液（或芬顿试剂）的锥形瓶中，经过微波震荡 10 min 后取出滤膜，将锥形瓶放入 60℃ 的震荡培养箱中反应至澄清，约需 1–2 天；

02、采用浮选溶液进行重力浮选，微塑料漂浮在上清液中，虹吸上清液；

03、分别使用 500 μm 和 10 μm 滤膜对溶液进行过滤，10 μm 滤膜需要使用适量的超纯水及无水乙醇冲洗后进行低温干燥；

04、将 10 μm 滤膜上的颗粒通过微波振荡方式转移至无水乙醇溶液中，并将乙醇溶液浓缩至 100 μL 后转移至标准反射窗片上使用 8700 LIDR 激光红外成像进行测试；500 μm 滤膜上的颗粒可通过手动挑取方式使用  Cary630 FTIR 搭配钻石 ATR 附件进行测试。

05、注：其中具体的消解次数及浮选次数需要根据样品的实际情况进行适当优化。

两种不同模式样品测试方式介绍

8700 LDIR 红外成像目前支持两种不同模式的样品测试方式，如图 2 所示。用户可根据样品的具体情况进行灵活选择。

01、窗片法

将前处理完毕的样品过滤到金属滤膜，并将金属滤膜放置在无水乙醇溶液中进行超声脱附，然后将浓缩后的无水乙醇溶液滴到 2.5×7.5 cm 的反射窗片上。随着无水乙醇溶液在窗片上挥发延展将微塑料颗粒带到窗片的不同位置上，待乙醇挥发干后颗粒自然沉积，仪器可对整个窗片进行自动化测试。窗片法适用于微塑料颗粒比较多的样品。由于窗片面积较大，可以Z 大限度的降低颗粒堆叠对测试结果准确度的影响。

02、滤膜法

将前处理完毕的样品直接过滤到金膜上，并将金膜置于样品台后进行直接自动测试。样品台可一次性同时放置两个金膜，金膜法适用于微塑料颗粒比较少的珍贵样品。由于在处理过程中样品无需多次转移，可Z 大限度的减少对样品的交叉污染及颗粒损失。

图 2. 两种不同模式样品测试方式，其中左图为窗片法，右图为滤膜法

8700 LDIR 红外成像水中微塑料

快速定性及定量测试解决方案

8700 LDIR 红外成像光谱仪采用量子级联激光器作为光源，搭配安捷伦开发的高度智能化 Clarity 软件，可自动实现对微塑料颗粒识别、图像采集、红外谱图测试、尺寸信息以及定性结果统计等。与此同时，还可获得每个颗粒的形态分析数据，可用于颗粒的形状筛分及溯源工作。如下图所示，地表水样品中微塑料的粒径具有丰度高，小粒径颗粒占比高等特性，常规传统红外显微仪器很难实现准确测试。而 8700 LDIR 红外成像高精度的颗粒识别方法，可将大于 10 um 以上的颗粒全部自动识别并实现准确测试。测试全程由软件自动控制，Z 大限度的消除了人为误差的影响，为实验室间进行数据对比提供了更多可行性。图 3 为使用 8700 LDIR 红外成像光谱仪测试的水中微塑料颗粒统计结果。

图 3. 8700 LDIR 红外成像测试饮用水样品中的微塑料统计结果

结 语

文中作者利用 LDIR 技术完成了对城市地表淡水样品中微塑料颗粒的检测、定量及形态表征，且S次使用 ASTM D8332 方法在自然水系统中进行了微塑料样本采集。作者在环境样本中监测到了大量颗粒，其中只有约 8-14% 的颗粒被鉴定为微塑料。LDIR 光谱仪不仅能识别出微塑料颗粒，同时还能够鉴别出其他与基质有密切关系的天然颗粒，如泥沙、蛋白等，以及基质中未消解干净的常见有机、物质干扰物。前处理后的样品过滤到金膜上，可直接上机完成分析测试。与传统的FTIR测试方法相比，LDIR 的颗粒表征更加自动化，且每个颗粒的分析时间仅为 8s，因此可以在相同的时间下完成更多样品的分析测试工作。此外，作者使用标准品对 LDIR 及 FTIR 的定性结果准确度进行了比对，通过测试结果可以看出 LDIR 可以获得与 FTIR 基本一致的测试结果。所以，作者建议在进行大通量环境样本微塑料测试时可使用 LDIR 方法完成颗粒的定性、定量及形态的表征。