Ідентифікація мікропластику за допомогою ІЧ-Фур'є та Раман спектроскопії

Таблиця 1: Поширені полімери (густини, отримані з Teegarden2)

Мікропластик, як зрозуміло з назви, – це невеликий шматочок пластику розміром <5 мм. Перелік найпоширеніших полімерів, що входять до складу мікропластику наведено в Таблиці 1. Серед цих матеріалів поліпропілен і поліетилен особливо поширені в навколишньому середовищі через їх виробництво у величезних кількостях для споживчого пакування. З поліетилену виробляються звичні для нас пластикові пакети, а з поліпропілену виготовляють обгортки для цукерок та кришечок для пляшок. Ці полімери плавають як у прісній, так і в солоній воді, що дозволяє їм подорожувати на великі відстані від первинного джерела забруднення. Інфрачервоні (ІЧ) та Раманівські спектри поліетилену та поліпропілену показані на рисунках 1 і 2 відповідно. Хоча і поліетилен, і поліпропілен є простими поліолефінами, їх можна легко ідентифікувати і розрізнити як за допомогою ІЧ-, так і за допомогою раманівського спектрометра, які є загальноприйнятими методами у полімерній та пластмасовій промисловості.  Інші полімери, перелічені в Таблиці 1, також можна ідентифікувати за допомогою ІЧ- та раманівського спектрів. Рисунок 1: ІЧ-спектри поліетилену та поліпропілену.  Рисунок 2: Раманівські спектри поліетилену та поліпропілену.

Щоб бути класифікованим як мікропластик, шматок пластику повинен бути невеликим. Але наскільки?  Національне управління океанічних і атмосферних досліджень (NOAA) визначає мікропластик як такий, що має довжину менше 5 мм. Багато частинок, що викликають занепокоєння, мають менший розмір, як правило від 100 мкм до 1 мкм. Це досить широкий діапазон розмірів; від об’єктів, які легко помітні неозброєним оком, до дрібних частинок або волокон, які можна побачити лише за допомогою високоякісного мікроскопа. Деякі види мікропластику навмисно розроблені таким чином, щоб бути дрібним. Це так званий «первинний» мікропластик. Первинний мікропластик є об’єктом законодавчого контролю. Прикладом є заборона в США на використання мікрочастинок у засобах особистої гігієни від 2015 року (H.R.1321).

Інші види мікропластику початково створюються у більших розмірах, але з часом розпадаються на менші частинки у навколишньому середовищі. Вони позначаються як вторинний мікропластик. Як первинний, так і вторинний мікропластик, охоплюючи широкий діапазон розмірів частинок, викликають занепокоєння через їхній потенційний вплив на морське життя. Занепокоєння щодо загрози, яку становить мікропластик для здоров’я організмів по всьому харчовому ланцюгу, виникає через поглинання морськими організмами, наприклад, зоопланктоном, наявності токсичних матеріалів, що використовуються у виробництві пластику, наприклад, бісфенол-А (BPA) та транспортуванню стійких органічних забруднювачів (POPs) у ємностях з мікропластику. Хоча як ІЧ-Фур’є, так і Раман можуть ідентифікувати довгий список пластикових матеріалів, проблема вибору приладу вступає в гру, коли мова йде про широкий діапазон розмірів частинок. Зі зменшенням розміру частинок зростає складність і вартість обладнання необхідного для її аналізу. Тому в першу чергу при виборі відповідного аналітичного обладнання слід звертати увагу на розмір мікропластику при виборі відповідної аналітичної платформи. Ці та інші міркування будуть обговорюватися далі супутньо з оглядом та загальними рекомендаціями щодо спектроскопічних приладів для аналізу мікропластику.

Частинки в діапазоні розмірів від 5 мм до 100 мікрон видимі для ока і можуть бути зібрані за допомогою пінцета. Оскільки ці частинки можна легко побачити і маніпулювати ними, спектроскопічна система, необхідна для їхнього аналізу, є відносно простою. Найпоширенішою спектроскопічною технікою для аналізу полімерів є ІЧ-Фур’є спектрометр, поєднаний з аксесуаром для порушеного повного внутрішнього відбиття (ППВВ). ППВВ дозволяє отримати ІЧ-спектр матеріалу, просто притиснувши зразок до прозорого кристалу, найчастіше алмазу. Інфрачервоне світло проходить через кристал в зразок, де енергія поглинається зразком і світло відбивається назад в кристал для отримання спектра.  Рисунок 3: Спектрометр Nicolet Summit FTIR з аксесуаром iD7 ATR у кюветному відділені.

На рисунку 3 показаний Спектрометр Thermo Scientific Nicolet Summit FTIR, оснащений Thermo Scientific iD7 Diamond ATR.  Діамант має діаметр кілька мм і не потребує повного покриття зразком, що робить його ідеальним для аналізу у цьому діапазоні розмірів. Єдиним застереженням при аналізу за допомогою ППВВ-аксесуару є те, що він виявляє матеріали, які знаходяться на поверхні зразка. Це корисно, якщо цікавить поверхневе покриття, наприклад, абсорбований токсин. Однак, якщо зразок вивітрився (має нерівну поверхню), це може перешкоджати його ідентифікації. У такому випадку перед аналізом поверхню слід видалити шляхом зрізання або полірування.

ППВВ-аксесуар, зображений на рисунку 3, не дозволяє розглядати зразок після того, як він був затиснутий між кронштейном та алмазним кристалом. Це не є проблемою при роботі зі зразками розміром від 5 мм до 1 мм. Однак, для зразків меншого розміру, бажано мати можливість бачити зразок під час його розміщення на аксесуарі і подальшого зняття спектру. Існують ППВВ аксесуари, які можуть забезпечити перегляд і збільшення, полегшуючи аналіз зразків в діапазоні від 1 мм до 70 мікрон. Прикладом такого аксесуару є модуль для мікроспектроскопії Czitek SurveyIR®, як показано на рисунку 4. Рисунок 4. Спектрометр Nicolet Summit FTIR з аксесуаром SurveyIR® у кюветному відділені.

ІЧ-Фур’є спектрометр з ППВВ аксесуаром є простим у використанні і відносно недорогим. Крім того, малий форм-фактор спектрометра Nicolet Summit дозволяє переміщати його близько до місця збору і дослідження мікропластику для подальшого вивчення. Це може бути перевагою при проведенні екологічних досліджень, що проводяться за межами лабораторії.

Коли розмір частинок зменшується нижче 100 мікрон, виникає потреба у додатковому збільшенні. Тут є два варіанти: ІЧ-мікроскопія та Раманівська мікроскопія (обидва методи також називають мікроспектроскопією). Слід відзначити, що для частинок розміром менше 10 мікрон Раман мікроскопія є кращим вибором.

Інфрачервона (ІЧ) мікроскопія дозволяє ідентифікувати частинки розміром до 10 мікрон або менше. Існує декілька варіантів ІЧ-мікроскопії з точки зору як використовуваної техніки відбору зразків, так і з точки зору ступеня автоматизації аналізу. Методи відбору зразків, що використовуються в інфрачервоній мікроскопії включають пропускання, відбиття і ППВВ. Пропускання зазвичай призводить до отримання спектрів найкращої якості, але часто вимагає, щоб зразок був пресований або іншим чином оброблений до товщини менше 100 мікрон для того, щоб інфрачервоне світло могло пройти крізь зразок. Відбиття, в принципі, є найпростішим методом, оскільки він не вимагає підготовки зразка або взаємодії між мікроскопом і зразком. Однак, це може призвести до спотворення спектрів, що може ускладнити ідентифікацію полімерних компонентів.

Відбір зразків методом ППВВ працює так, як описано в попередньому розділі. Недоліком використання ППВВ в тандемі з мікроскопією є потенційна можливість перехресної контамінації між послідовними вимірюваннями, оскільки елемент ППВВ контактує зі зразком. Це не є проблемою для ручних ППВВ-систем, де кристал легко очищається між вимірюваннями. Однак, в автоматизованих мікроскопічних системах, в яких кристал ППВВ-приставки вступає в багаторазовий контакт зі зразком без очищення між вимірюваннями, перенесення зразка може становити проблему. Тому вибір методу відбору зразків значною мірою залежить від природи зразка.

Ступінь автоматизації, доступний при роботі з інфрачервоним мікроскопом варіюється від простого аналізу однієї точки до повністю автоматизованої візуалізації, що охоплює більшу площу зразка з вимірюванням декількох частинок. На рисунку 5 показано інфрачервоний мікроскоп Thermo Scientific Nicolet iN5 в тандемі з ІЧ-Фурʼє спектрометром Nicolet iS20. Цей ІЧ-мікроскоп має можливість наведення і зняття спектру, що спрощує його експлуатацію. Зображення 5. ІЧ-мікроскоп Nicolet iN5 в поєднанні з ІЧ-Фурʼє спектрометром Nicolet iS20.

Приклади спектрів мікрочастинок первинного мікропластику в споживчих товарах, отримані за допомогою цього ІЧ мікроскопа показані на рисунку 6. Рисунок 6. Спектри мікрочастинок, отримані на мікроскопі Nicolet iN5. Всі спектри відповідають поліетилену. Спектр блакитної сфери також вказує на присутність сульфату барію.

Точковий або одноточковий аналіз ідеально підходить у випадках, коли потрібно знайти і проаналізувати невелику кількість частинок. Вартість цієї системи відносно низька і, завдяки невеликій кількості елементів керування, її легко освоїти і використовувати. Однак, якщо необхідно проаналізувати велику кількість частинок, бажаним є наявність автоматизації. Фільтрація часто використовується як завершальний етап в ізоляції мікропластику від матриці. Велика кількість частинок може бути захоплена на поверхні фільтра, де аналіз цих відфільтрованих частинок одна за одною є досить трудомістким процесом. Збір та аналіз даних можна автоматизувати за допомогою мікроскопа, оснащеного спеціальним програмним забезпеченням.  ІЧ-мікроскоп Thermo Scientifiс Nicolet iN10 MX FTIR Imaging, зображений на рисунку 7, в змозі надати цей рівень автоматизації. Рисунок 7: ІЧ мікроскоп Nicolet iN10 MX FTIR з ППВВ комплектуючими. Існує два основних підходи до збору даних з частинок, розподілених по фільтру. Перший – це дискретний аналіз частинок. У цьому підході аналіз зображення виконується на відеозображенні фільтра для визначення положення частинок. Після цього система автоматично збирає інфрачервоні спектри з кожного місця та ідентифікує кожну частинку за її спектром. Другий підхід – візуалізація. У цьому випадку інфрачервоне зображення  збирається з усієї області інтересу, в якому кожен піксель містить інфрачервоний спектр. Це дає хімічну «картину» фільтра. Автоматизований аналіз цього зображення за допомогою програмного забезпечення може надати інформацію про тип, кількість та розміри окремих частинок. Такий аналіз показано на рисунку 8.  Малюнок 8. Хімічні зображення фільтра (ліворуч), отримані за допомогою Nicolet iN10 MX FTIR Imaging Microscope, на яких ідентифіковано поліетилен (PE) та полістирол (PS), а також статистику розмірів частинок. Тут два типи частинок ідентифіковано за їхніми інфрачервоними спектрами. Аналіз зображення надає інформацію про кількість і розміри частинок. Хоча це рішення є досить витонченим, воно має деякі недоліки у порівнянні з дискретним аналізом частинок. По-перше, зображення може містити значну кількість надлишкових даних. Лише невеликий відсоток вмісту зображення несе в собі інформацію про частинки, а решта – це фільтр. Оскільки зображення містить щонайменше чотири виміри даних (х-позиція, у-позиція, спектральна довжина хвилі та поглинання), розмір «куба даних», що містить багато тисяч спектрів, може бути дуже великим. Другий фактор полягає в тому, що масивні детектори, які використовуються для візуалізації, дорожчі за прості одноточкові детектори що використовуються для дискретного аналізу частинок.  Вибір підходу залежить від того, 1) скільки частинок потрібно проаналізувати, 2) за який проміжок часу і 3) якого розміру площа. На щастя, ІЧ-мікроскоп Nicolet iN10 MX є універсальним і підходить для всіх режимів відбору зразків і автоматизації.

Як раманівська, так і ІЧ-спектроскопія здатні ідентифікувати мікропластик. Однак раманівська спектроскопія має три чіткі переваги в застосуванні до мікроскопії. По-перше, вона використовує в якості джерела світла лазери з субмікронною довжиною хвилі і, таким чином, здатна розрізняти частинки розміром до 1 мікрона і менше. ІЧ-мікроскопія використовує середньо-інфрачервоне світло як джерело, в результаті чого діапазон довжин хвиль втрачає здатність ідентифікувати частинки набагато менші за 10 мікрон. Друга причина полягає в тому, що, на відміну від ІЧ-систем, раманівські мікроскопи побудовані на основі мікроскопів дослідницького класу із застосуванням білого світла, що полегшує спостереження за частинками. По-третє, це простота відбору зразків. Немає необхідності вибирати між методами пропускання, відбиття і ППВВ, необхідними при ІЧ-Фур’є вимірюваннях. Лазер раманівської системи фокусується на зразку, і спектр отримується просто шляхом збору розсіяного світла.

Тепер давайте поговоримо про мінуси Раман мікроскопії при аналізі мікропластику. Щоб збалансувати переваги, є три ключові недоліки раманівської мікроскопії. Перший – це обсяг знань. ІЧ-спектроскопія існує довше, ніж раман, як загальний аналітичний метод, і вона розвивалася в міру зростання полімерної промисловості. Таким чином, існує більша кількість історичних даних про ІЧ-спектроскопію, ніж про раманівську для аналізу полімерів. Однак з часом цей розрив зменшується, і, безумовно, існує достатньо еталонних спектрів для ідентифікації поширених мікропластиків. По-друге, це вартість. Як правило, через вартість компонентів раманівські системи дослідницького класу дорожчі за їхні інфрачервоні аналоги. Третій недолік – флуоресценція. Деякі зразки проявляють флуоресценцію при опроміненні лазером. Флуоресценція може знищити корисний аналітичний раманівський сигнал. Цей недолік можна усунути шляхом підбору відповідної довжини хвилі лазера, але флуоресценція зразка є проблемою, яка не зустрічається в ІЧ-мікроскопії.

Незважаючи на це, раманівська мікроскопія все ще залишається ідеальним методом для частинок розміром менше 10 мкм завдяки довжині хвилі зондуючого випромінювання. Як обговорювалося вище, варіанти відбору зразків для раманівської мікроскопії, як правило, тривіальніші. На відміну від ІЧ-мікроскопії, де якість спектрів критично залежить від техніки відбору зразків, раманівська мікроскопія просто вимірює світло, розсіяне від зразка, без спеціального методу відбору. Основні міркування щодо раманівської мікроскопії пов’язані з вибором лазера, який впливає на потужність сигналу і флуоресценцію зразка. Як і у випадку з ІЧ-мікроскопією, раманівська мікроскопія пропонує вибір варіантів автоматизації, від простого наведення і зйомки для дискретного аналізу частинок до високошвидкісної візуалізації. Раманівський мікроскоп Thermo Scientific DXR3, показаний на рисунку 9, є прикладом повністю автоматизованої системи раманівської мікроскопії. Рисунок 9: Раманівський мікроскоп DXR3 для аналізу мікропластику.

Як і у випадку з ІЧ-мікроскопією, вартість, складність і витонченість аналізу даних зростає зі ступенем необхідної автоматизації. Аналіз мікропластику на фільтрі Раман методом показано на малюнку 10. Рисунок 10: Приклад аналізу мікропластику за допомогою раманівського мікроскопа DXR3xi. (А) Відеозображення глиноземного фільтра з мікропластиковими частинками; (B) Хімічне зображення фільтра з мікропластиковими частинками; і (C) Спектр однієї з жовтих частинок порівняно зі спектром поліпропілену з бібліотеки.

Як висновок, ІЧ-Фур’є та раманівська спектроскопія є потужними аналітичними інструментами для виявлення мікропластику в навколишньому середовищі та бутильованій воді. Існує багато рішень, від простих пристроїв «наведи і зніми» до складних систем візуалізації. Вибір системи залежить від розміру досліджуваних частинок, місця проведення аналізу і ступеня автоматизації. Узагальнена інформація про вибір приладу наведена в Таблиці 2. Таблиця 2: Аналітичні інструменти для аналізу мікропластику.