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

Проблема микропластика уже давно вышла за пределы классических экологических исследований и все чаще рассматривается в контексте техногенной нагрузки, связанной с военными действиями. Для Украины эта тема приобрела особую остроту из-за активного использования дронов, значительная часть которых использует оптоволоконные кабели в качестве канала передачи сигнала.

Поперечный срез оптического волокна, полученный с помощью микроскопии, с четко выраженными ядром и оболочкой.

После выполнения боевых задач или в результате повреждений эти кабели остаются на местности, где постепенно разрушаются под воздействием механических, термических и фотохимических факторов. В результате оптоволоконные кабели быстро разлагаются на микро- и нанопластик. Визуальные подтверждения масштабов этого явления демонстрируют урбанизированные территории, буквально покрытые остатками волокон, что создает новый тип экологического загрязнения.

(https://youtube.com/shorts/N8i5J9BVb0k?si=gIgRHrgz56apANaq).

Особую опасность представляет то, что такие частицы легко интегрируются в почвенные и водные системы, а также могут переноситься воздушными потоками. Из-за малого размера и сложной морфологии они практически невидимы для традиционных методов анализа, что затрудняет их мониторинг и классификацию.

Современные исследования микропластика основаны на сочетании морфологического и химического анализа. В этом контексте сканирующая электронная микроскопия (SEM) выступает одним из ключевых инструментов, поскольку позволяет одновременно исследовать форму частиц и их элементный состав.

SEM обеспечивает значительно более высокое разрешение по сравнению с оптическими методами, что позволяет анализировать частицы размером в несколько микрометров и меньше. Кроме того, большая глубина резкости позволяет получать детальные изображения поверхности даже сложно структурированных объектов, таких как фрагменты деградированных полимеров.

Ключевым преимуществом является возможность интеграции энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDS), который позволяет определять элементный состав образца. Это критически важно для идентификации типов полимеров и отделения микропластика от природных или минеральных частиц (https://www.thermofisher.com/blog/materials/plastics-microscopy-with-the-phenom-prox-desktop-sem/).

В профессиональной среде SEM используется не только для подтверждения наличия микропластика, но и для:

• анализа степени деградации полимеров;
• определения источника происхождения частиц;
• исследования взаимодействия микропластика с другими материалами.

Таким образом, SEM становится универсальным инструментом, который сочетает в себе функции визуализации и аналитики.

Особое место среди решений для сканирующей электронной микроскопии занимают настольные системы, в частности Phenom XL G3 Desktop SEM от Thermo Fisher Scientific. Они сочетают в себе лабораторную точность с высоким уровнем автоматизации и скоростью работы, что имеет решающее значение для прикладных исследований.

Одним из ключевых преимуществ Phenom является быстрый переход от подготовки образца к получению результатов. Система позволяет начать анализ в течение нескольких минут, что значительно сокращает время исследования по сравнению с традиционными SEM  (https://www.thermofisher.com/blog/materials/plastics-microscopy-with-the-phenom-prox-desktop-sem/).

Phenom XL G3 позволяет получать изображения непроводящих образцов, которые в противном случае требовали бы тщательной подготовки, а интегрированный EDS-детектор дает возможность сразу после получения изображения провести элементный анализ, что особенно важно при работе с микропластиком, где морфологические признаки могут быть недостаточными для точной идентификации. Например, различные полимеры могут иметь схожую форму, но отличаться по химическому составу.

Phenom также поддерживает автоматизированные сценарии анализа, что позволяет:

• проводить серийные исследования большого количества образцов;
• минимизировать влияние человеческого фактора;
• стандартизировать результаты.

Благодаря компактности и простоте эксплуатации такие системы могут использоваться не только в стационарных лабораториях, но и в мобильных исследовательских центрах, что особенно актуально для полевых условий.

Подготовка образцов в данном случае довольно проста и не требует сложных процедур. Держатель образца обычно представляет собой алюминиевую пластину, на которой образец фиксируется с помощью проводящей двусторонней клейкой ленты.

Важно, чтобы размеры образца не превышали 25 мм в диаметре и 30 мм в высоту.

Чтобы обеспечить качественный контакт, поверхность образца должна быть максимально гладкой, сухой и с как можно большей площадью соприкосновения с подложкой. Напыление, которое обычно применяют для непроводящих материалов (в частности, пластика), необходимо только в случаях высокого увеличения. В остальных ситуациях образцы можно исследовать напрямую, используя держатель с функцией снижения заряда.

После открытия камеры образец устанавливают в держатель и вводят его с помощью направляющей. Далее система автоматически распознает тип держателя, что позволяет сразу перейти к подготовке измерений.

Программное обеспечение разработано с акцентом на интуитивность, поэтому даже новые пользователи быстро осваивают работу с ним. В результате весь процесс — от загрузки образца до получения первого изображения — обычно занимает менее минуты.

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM)

Институт пластмасс (Kunststoff-Institut) специализируется в первую очередь на исследовании изделий из пластмасс, хотя также работает с гранулятами и GSR. Основная цель таких исследований — выявление причин отказов материалов и обеспечение контроля качества как готовых деталей, так и сырья.

На изображениях ниже, полученных с помощью детектора обратно рассеянных электронов СЭМ Phenom, продемонстрирован пример анализа распределения наполнителя в полимерной структуре.

На рисунках 1 и 2 представлен пластик, армированный стеклянными шариками. В данном случае исследование было направлено не только на оценку их распределения, но и на анализ сцепления шариков (на основе силикона и алюминия) с полимерной матрицей после нескольких циклов переработки. Качественное сцепление хорошо заметно по тому, как поверхность стеклянных частиц «сливается» с окружающим пластиком.

Рисунок 1. Распределение/размер стеклянных шариков.                Рисунок 2. Склеивание стеклянных шариков.

Кроме того, в структуре материала были обнаружены пористые участки, свидетельствующие о постепенной деградации материала в процессе эксплуатации или повторной переработки.

На рисунке 3 деталь имеет большое количество трещин, несмотря на армирование стекловолокном, что обусловлено сильной ориентацией стекловолокна, которая оказывает негативное влияние. Эта ориентация волокна параллельна направлению напряжения и, следовательно, почти не способствует механической прочности детали. Кроме того, пустые слои волокна с гладкой структурой свидетельствуют о том, что в данном случае не было достигнуто оптимального сцепления волокна с матрицей.

Рисунок 3. Сильная ориентация волокон в детали, оказывающая негативное влияние.

Использование SEM в исследовании микропластика открывает новые возможности для экологического мониторинга и научного анализа. В контексте Украины это имеет особое значение, поскольку позволяет системно оценивать влияние военных действий на окружающую среду.

Применение таких технологий позволяет:

• создавать базы данных о загрязнении;
• отслеживать динамику накопления микропластика;
• разрабатывать эффективные стратегии очистки территорий;
• обеспечивать научную основу для экологической политики.

Кроме того, использование компактных решений, таких как Phenom ProX Desktop SEM, делает высокоточный анализ более доступным и оперативным. Это особенно важно в условиях, когда скорость получения данных напрямую влияет на принятие решений.

В долгосрочной перспективе такие технологии могут стать основой для создания систем мониторинга нового поколения, способных оперативно реагировать на техногенные вызовы и минимизировать их влияние на экосистемы.

Микропластик, образованный в результате современных военных технологий, представляет собой новый и сложный вызов для науки и экологии. Его эффективное исследование требует инструментов, сочетающих высокую точность, скорость и универсальность.

Сканирующая электронная микроскопия, в частности в исполнении решений от Thermo Fisher Scientific, демонстрирует высокий потенциал в этой сфере. Она позволяет не только выявлять микропластик, но и глубоко анализировать его свойства, что является критически важным для понимания масштабов проблемы и поиска эффективных путей ее решения.