日立应用 | 日立电镜带您探索海洋中“微塑料”的足迹
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背景
微塑料这一概念最早由英国科学家汤普森等人[1]提出,通常是指直径小于5毫米的塑料颗粒,广泛存在于海洋环境中,是一种造成海洋污染的主要载体。不管是在海水中,还是在海底及海底沉积物种,都有发现微塑料的存在。而随着食物链的传播,微塑料甚至进入到了人体的血液和肺部[2]。
微塑料和海洋垃圾是一个世界性的问题,中国生态环境部门也非常重视微塑料和海洋垃圾的治理。2007年,中国正式启动了海洋垃圾的监测工作,并于2016年将海洋微塑料纳入监测范围[3]。
实际上,微塑料的形状多种多样,它通常是多个颗粒的混合体,粒径范围从几微米到几毫米不等,肉眼往往很难分辨,被形象的“海中的PM2.5”。为了更好的观察微塑料的形貌和成分,需要通过扫描电镜进行高分辨观察,同时通过能谱可以分析其成分,从而判断微塑料的来源。
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应用
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应用案例一
微塑料的来源多种多样,通过光学显微镜可以清楚的看到不同颜色的微塑料。但是,光学显微镜的分辨率有限,无法观察微塑料的精细形貌,也无法判断其元素组成。日立电镜可以与不同的光学显微镜进行联用(CLEM),通过联用可以利用光学显微镜寻找样品,利用扫描电镜进行高分辨观察。
如图1所示,可见蓝色、浅蓝色、白色和橙色的微塑料颗粒,同时叠加了SEM的BSE图像,可以看到微塑料表面的微小细节差异。
图(1). 不同颜色微塑料的光镜图片与电镜图片叠加图像
扫描电镜可以通过能谱对不同颜色的微塑料进行元素分析,从而判断其组成。如图2所示,蓝色和白色微塑料富含钛元素,主要是氧化钛;浅蓝色塑料除了含钛以外,还含有钙和铁;橙色塑料则含铅和铬,主要是铬黄(PbCrO4,用于防锈漆)。
图(2). 不同颜色微塑料的元素分析
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应用案例二
图3所示为神奈川县的沙滩上发现的微塑料,通过扫描电镜对其截面观察发现有很多亮点(0.1-1um),这些亮点是微塑料内部的一些无机颗粒,说明其内部成分并不均一。通过扫描电镜的背散射电子(BSE)探测器可以观察到不同成分的亮暗差异。
图(3). 微塑料的截面观察
通过能谱对截面进行元素分析发现含有铅和铬,说明该塑料可能是铬黄涂料(PbCrO4)的碎片。铬黄主要用于防锈漆,但因含有铅和六价铬已于2020年被淘汰。微塑料涂层下方含有Fe、O和Cr(氧化铁和铬的合金,即不锈钢),所以该微塑料可能是不锈钢生锈脱落形成的。
图(4). 微塑料截面的元素分析
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应用案例三
图5为微塑料的光镜和电镜图片,通过电镜图片可以看到微塑料表面有一些生物附着物(绿色箭头所指),这些生物可能对微塑料的降解有一定作用。
图(5). 微塑料表面的光镜(左)和电镜(右)图像
图6为拉曼光谱对微塑料的截面进行分析,发现其谱图与聚乙烯的谱图相近,说明该微塑料主要是聚乙烯。在拉曼谱图中还发现了铜酞菁(蓝色箭头所指),这是一种蓝色颜料,这与图5光镜图片中微塑料的颜色一致。
图(6). 微塑料截面的拉曼光谱分析
通过对微塑料的截面进行观察发现,其表面的生物层(浅色部分)有侵入微塑料的现象;通过能谱验证生物层含有P,S等元素,且内部的C含量也比聚乙烯中C含量低,说明生物有降解该塑料的功能。
图(7). 微塑料截面的元素分析
参考文献:
[1] Thompson R C, Russell A E, et al. Lost at sea: where is all the plastic? J. Science, 2004, 304(5672), 838
[2] 科学家首次在人体血液当中发现微塑料颗粒,可输送到全身。环球时报
[3] 生态环境部:切实推进海洋垃圾和微塑料防治 为全球海洋治理提供科学技术支撑。人民网
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