Використання скануючого електронного мікроскопа у дослідженні мікропластику: практичний підхід із застосуванням Phenom

Проблема мікропластику вже давно вийшла за межі класичних екологічних досліджень і дедалі частіше розглядається у контексті техногенного навантаження, пов’язаного з військовими діями. Для України ця тема набула особливої гостроти через активне використання дронів, значна частина яких використовує оптоволоконні кабелі як канал передачі сигналу.

Поперечний зріз оптичного волокна, отриманий за допомогою мікроскопії, із чітко вираженими ядром і оболонкою.

Після виконання бойових завдань або внаслідок пошкоджень ці кабелі залишаються на місцевості, де поступово руйнуються під впливом механічних, термічних і фотохімічних факторів. Внаслідок оптоволоконні кабелі швидко деградують на мікро- та нанопластик. Візуальні підтвердження масштабів цього явища демонструють урбанізовані території, буквально вкриті залишками волокон, що створює новий тип екологічного забруднення (https://youtube.com/shorts/N8i5J9BVb0k?si=gIgRHrgz56apANaq).

Особливу небезпеку становить те, що такі частинки легко інтегруються в ґрунтові та водні системи, а також можуть переноситися повітряними потоками. Через малий розмір і складну морфологію вони практично невидимі для традиційних методів аналізу, що ускладнює їх моніторинг і класифікацію.

Сучасні дослідження мікропластику базуються на поєднанні морфологічного та хімічного аналізу. У цьому контексті скануюча електронна мікроскопія (SEM) виступає одним із ключових інструментів, оскільки дозволяє одночасно досліджувати форму частинок і їхній елементний склад.

SEM забезпечує значно вищу роздільну здатність порівняно з оптичними методами, що дає змогу аналізувати частинки розміром у кілька мікрометрів і менше. Крім того, велика глибина різкості дозволяє отримувати детальні зображення поверхні навіть складно структурованих об’єктів, таких як фрагменти деградованих полімерів.

Ключовою перевагою є можливість інтеграції енергодисперсійного рентгенівського аналізу (EDS), який дозволяє визначати елементний склад зразка. Це критично важливо для ідентифікації типів полімерів та відокремлення мікропластику від природних або мінеральних частинок (https://www.thermofisher.com/blog/materials/plastics-microscopy-with-the-phenom-prox-desktop-sem/).

У професійному середовищі SEM використовується не лише для підтвердження наявності мікропластику, але й для:

• аналізу ступеня деградації полімерів;
• визначення джерела походження частинок;
• дослідження взаємодії мікропластику з іншими матеріалами.

Таким чином, SEM стає універсальним інструментом, який поєднує функції візуалізації та аналітики.

Особливе місце серед SEM-рішень займають benchtop системи, зокрема Phenom XL G3 Desktop SEM від Thermo Fisher Scientific. Вони поєднують лабораторну точність із високим рівнем автоматизації та швидкістю роботи, що є критично важливим для прикладних досліджень.

Однією з ключових переваг Phenom є швидкий перехід від підготовки зразка до отримання результатів. Система дозволяє розпочати аналіз упродовж кількох хвилин, що значно скорочує час дослідження у порівнянні з традиційними SEM (https://www.thermofisher.com/blog/materials/plastics-microscopy-with-the-phenom-prox-desktop-sem/). 

Phenom XL G3 дозволяє отримувати зображення непровідних зразків, які в іншому випадку вимагали б ретельної підготовки зразків, а інтегрований EDS-детектор дає змогу одразу після отримання зображення провести елементний аналіз, що особливо важливо при роботі з мікропластиком, де морфологічні ознаки можуть бути недостатніми для точної ідентифікації. Наприклад, різні полімери можуть мати подібну форму, але відрізнятися за хімічним складом.

Phenom також підтримує автоматизовані сценарії аналізу, що дозволяє:

• проводити серійні дослідження великої кількості зразків;
• мінімізувати вплив людського фактора;
• стандартизувати результати.

Завдяки компактності та простоті експлуатації такі системи можуть використовуватися не лише у стаціонарних лабораторіях, але й у мобільних дослідницьких центрах, що особливо актуально для польових умов.

Підготовка зразків у цьому випадку доволі проста і не потребує складних процедур. Тримач зразка зазвичай має алюмінієву пластину, на яку зразок фіксують за допомогою провідної двосторонньої клейкої стрічки.

Важливо, щоб розміри зразка не перевищували 25 мм у діаметрі та 30 мм у висоту.

Щоб забезпечити якісний контакт, поверхня зразка має бути максимально гладкою, сухою та з якомога більшою площею дотику до підкладки. Напилення, яке зазвичай застосовують для непровідних матеріалів (зокрема пластику), необхідне лише у випадках високого збільшення. В інших ситуаціях зразки можна досліджувати безпосередньо, використовуючи тримач із функцією зменшення зарядження.

Після відкриття камери зразок встановлюють у тримач і вводять його за допомогою направляючої. Далі система автоматично розпізнає тип тримача, що дозволяє одразу перейти до підготовки вимірювань.

Програмне забезпечення розроблене з акцентом на інтуїтивність, тому навіть нові користувачі швидко опановують роботу з ним. У результаті весь процес – від завантаження зразка до отримання першого зображення – зазвичай займає менше хвилини.

Зображення, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM) 

Інститут пластмас (Kunststoff-Institut) спеціалізується насамперед на дослідженні пластикових виробів, хоча також працює з гранулятами та GSR. Основна мета таких досліджень – з’ясування причин відмов матеріалів і забезпечення контролю якості як готових деталей, так і сировини.

На зображеннях нижче, отриманих за допомогою детектора зворотно розсіяних електронів СЕМ Phenom, продемонстровано приклад аналізу розподілу наповнювача в полімерній структурі.

На рисунках 1 і 2 представлено пластик, армований скляними кульками. У цьому випадку дослідження було спрямоване не лише на оцінку їхнього розподілу, а й на аналіз зчеплення кульок (на основі силікону та алюмінію) з полімерною матрицею після кількох циклів переробки. Якісне зчеплення добре помітне за тим, як поверхня скляних частинок «зливається» з навколишнім пластиком.

Рисунок 1. Розподіл/розмір скляних кульок.                                         Рисунок 2. Склеювання скляних кульок.

Крім того, у структурі матеріалу були виявлені пористі ділянки, що свідчать про поступову деградацію матеріалу в процесі експлуатації або повторної переробки.

На рисунку 3 деталь має велику кількість тріщин, незважаючи на армування скловолокном, що зумовлено сильною орієнтацією скловолокна, яка має негативний вплив. Ця орієнтація волокна паралельна напрямку напруження і, отже, майже не сприяє механічній міцності деталі. Крім того, порожні шари волокна з гладкою структурою свідчать про те, що в даному випадку не було досягнуто оптимального зчеплення волокна з матрицею.

Рисунок 3. Сильна орієнтація волокон у деталі, що має негативний вплив.

Використання SEM у дослідженні мікропластику відкриває нові можливості для екологічного моніторингу та наукового аналізу. У контексті України це має особливе значення, оскільки дозволяє системно оцінювати вплив військових дій на довкілля.

Застосування таких технологій дає змогу:

• формувати бази даних забруднення;
• відстежувати динаміку накопичення мікропластику;
• розробляти ефективні стратегії очищення територій;
• забезпечувати наукове підґрунтя для екологічної політики.

Крім того, використання компактних рішень, таких як Phenom ProX Desktop SEM, робить високоточний аналіз більш доступним і оперативним. Це особливо важливо в умовах, коли швидкість отримання даних безпосередньо впливає на прийняття рішень.

У довгостроковій перспективі такі технології можуть стати основою для створення систем моніторингу нового покоління, здатних оперативно реагувати на техногенні виклики та мінімізувати їхній вплив на екосистеми.

Мікропластик, утворений внаслідок сучасних військових технологій, є новим і складним викликом для науки та екології. Його ефективне дослідження потребує інструментів, які поєднують високу точність, швидкість і універсальність.

Скануюча електронна мікроскопія, зокрема у виконанні рішень від Thermo Fisher Scientific, демонструє високий потенціал у цій сфері. Вона дозволяє не лише виявляти мікропластик, але й глибоко аналізувати його властивості, що є критично важливим для розуміння масштабів проблеми та пошуку ефективних шляхів її вирішення.