אתגר גדל של מיקרופלסטיקה

חלקיקים פלסטיים - חלקיקים פלסטיים קטנים מ 5 מ"מ - מוכרים כיום כמזהמים מתפשטים ברחבי כדור הארץ, אקוורטיים, וסביבות אטמוספריות. הגודל הקטן שלהם הופך אותם ביו-זמינות למגוון רחב של אורגניזמים, המוביל לאפקטים פיזיים וכימיקליים פוטנציאליים. לזהות באופן מדויק ואפיון חלקיקים אלה במכות סביבתיות מורכבות כגון מים, זהב, ביוטה, הוא מקורות מוקדמים עבור אמצעי זיהוי מיקרוסקופיים קוונטיים סטנדרטיים, כגון שיטות ניתוח מיקרוסקופיים, כגון זיהומים סטנדרטיים, כגון שיטות ניתוח מיקרוסקופיים, כגון זיהומים סטנדרטיים, כגון חומרים מיקרוסקופיים, כגון חומרים מיקרוסקופיים, כלומר, כלומר, כגון זיהומים סטנדרטיים, כגון שיטות ניתוח מיקרוסקופיים, כגון זיהומים סטנדרטיים, כגון זיהומים סטנדרטיים, כגון זיהומים סטנדרטיים, כלומר, כלומר, כגון אלה.

האתגר הוא משמעותי: דגימות סביבתיות מכילות תערובת מגוונת של חומר אורגני טבעי, מינרלים, חלקיקים סינתטיים, שרבים מהם הם ויזואלית בלתי-מעורפל מ פלסטיק.טכניקות ספקטרוסקופיות להתגבר על הגבלה זו על ידי מדידת אינטראקציה של אור עם חומר לייצר טביעת אצבע ייחודית ספקטרלית עבור כל פולימר.זה מספק סקירה מקיפה, סמכותית של שיטות spectroscopic הראשי בשימוש בטכניקות סביבתיות, ו-Rrepertrosto-reperttrostostosto-reto-reto-reme, עם spectros, ו-reme, ו-R.

סקירה כללית של טכניקות Spectroscopic לניתוח מיקרופלסטי

שיטות ספציפיותסקופיות מסתמכות על ספיגת, פליטה או פיזור של קרינה אלקטרומגנטית על ידי מולקולות. עבור זיהוי מיקרופלסטיק, הטכניקות המאומץות ביותר הן FTIR ו-Raman spectroscopy, שניהם אשר חוקרים מעברים רטט בשרשראות פולימרים. ליד- infrared (NIR) spectroscopy משמש גם בכמה יישומים של בדיקות, בעוד גישות מתפתחות כגון הדמיה היפר-ספקטרוםיתיתית ו-Stroscopyscopyscopyscopyscopyscopyscopy לשימוש ספציפי (R) עבור מקרים.

היתרונות העיקריים של ניתוח ספקטרוסקופי על שיטות חזותיות או gravimetric כוללים:

  • (FLT:0Chemical Specity:FLT:1, כל סוג פולימרים (למשל, פוליאתילן, פוליפרופילין, פוליסטרון, PVC) יש חתימה ספק מרכזית נפרדת שניתן להתאיםה כנגד ספריות.
  • (FLT:0) חורבן מדגם מינימלי: FTIR ו-Raman הם לא הרסניים או דורשים רק הכנה מינימלית, ומאפשרים לחלקיקים להימר לניתוח נוסף.
  • (FLT:0) אצולה לנתח חלקיקים קטנים:FLT:1 ; הגדרות מיקרו-ספקטרום מתקדמות יכולות לזהות חלקיקים עד 1-10 מיקרומטר, המכסה את טווח הגודל הרלוונטי ביותר עבור עלייה ביולוגית.
  • (FLT:0) הפוטנציאל הקניי: FLT:1 ניתוח ספקטרלי יכול להיות משולב עם הדמיה אוטומטית לספור ולסווג חלקיקים עם דיו גבוה.

למרות נקודות אלה, לכל שיטה יש דרישות ספציפיות להכנת הדגימה, כלי גילוח, ופירוש נתונים כי יש לנהל בזהירות כדי למנוע פריטים וחיובים כוזבים.

Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy

עקרונות FTIR עבור זיהוי פלסטי

FTIR spectroscopy מודד את ספיגת קרינה אינפרא אדום על ידי אג"ח כימי בדגימה. כאשר IR beam עובר דרך או משקף חלקיק, אורכי גל ספציפיים נספגים בהתאם למתח הרטט ובריחת אג"ח כגון C-H, C=O, ו C-O. ספקטרום הקליטה המתקבל הוא טביעת אצבע אופיינית לכל פולימרים.

מצבי חירום ויישומים שלהם

  • (FLT:0Micro-FTIR (μFTIR): זוגות FT1 FTIR spectrometer למיקרוסקופ אופטי, המאפשר מיקוד חזותי של חלקיקים בודדים. μFTIR יכול לפעול שידור, השתקפות, או מצב ATR. זה הוא טכניקת המעבדה הנפוצה ביותר עבור חלקיקים > 20 מיקרומטר ויכול להיות אוטומטי באמצעות גלאי מטוסים (FPA) כדי לייצר פילטרים גדולים של חלקיקים כימיים.
  • (FLT:0)ATR-FTIR:FLT:1 השתמש אלמנט השתקפות פנימי (למשל, קריסטל יהלום או גרמניה) ממוקם במגע עם החלקיק.הוא דורש הכנה מינימלית מדגם והוא אידיאלי עבור חלקיקים גדולים (>200 מיקרומטר) או צורות לא סדירות.ה העומק מוגבלת ל 1-5 מיקרומטר מן פני השטח, מה שהופך אותו רגיש לזיהום פני השטח.
  • (FLT:0) FTIR הדמיה עם FPA:FLT:1 ; מעסיקים גלאי רב פיקסל לאסוף מידע ספקטרלי בו זמנית על פני שטח מדגם.זה מאפשר בדיקות מהירות של מסננים שלמים, ואת הנתונים ניתן לעבד כדי לייצר מפות המציגות את חלוקת המרחב של פולימרים שונים.

חיזוקים ומגבלות של FTIR

(FLT:0)Strengthsib: FLT:1 FTIR מציעה מפרט כימי גבוה וספריות ספקטרליות נרחבות עבור פלסטיק משותף, ביופוחיות, ותוספים.It הוא טכניקה בוגרת עם פרוטוקולים סטנדרטיים (למשל, מ JPI Oceans, NOAA).

(FLT:0) התחייבויות: ⁇ חזקה של קרינה IR על ידי מים מגביל ניתוח דגימות רטוב; דגימות חייב להיות יבשה.ההחלטה המרחבית המעשית של μFTIR מוגבלת ל -10-20 מיקרומטר בשל דיפרציה.עבור חלקיקים קטנים יותר מזה, אותות לאיים במהירות.

ראומן Spectroscopy

עקרונות ויתרונות

ראמן spectroscopy מתמקדת בפיזור בלתי-רשמי של אור לייזר מונוכרומטי.כאשר פוטונים אינטראקציה עם רטטים מולקולריים, שבריר קטנה מפוזרים באנרגיות משתנות (Stokes ואנטי-Stokes) וכתוצאה מכך ספקטרום ראמאן מספק מידע על מצבי הרטט של החומר, משלימים נתונים FTIR.

היתרונות העיקריים של ראמן לגילוי מיקרופלסטי כוללים:

  • (FLT:0) רזולוציה מרחבית של סופריאור: 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ניתן לנתח את הדגימות של הדגמה:0 (FLT:1) באופן ישיר על מסננים או בסיטקום, ללא ייבוש או ציפוי.
  • (ב) להקות ספקטרום:0)Narrow spectral: FLT:1 פסגות ראמן הן בדרך כלל חדות יותר מאשר להקות FTIR, המציעות אפליה טובה יותר בין פולימרים דומים.

שיקולים פנימיים ואתגרים

ספקטרום ראמן דורש מבחר זהיר של אורכי גל לייזר כדי לאזן את עוצמת האות ואת פלואורסנס. ירוק (532 nm) ואדום (785 nm) לייזרים נפוצים; ליד לייזרים כמעט בלתי מוכרים (למשל, 1064 nm) להפחית את פלואורסנס אבל דורש גלאי רגישים יותר.

  • (FLT:0) התערבות של פלואורנס: FLT:1המחשה סביבתית רבה (למשל, ביוסרטים, פיגמנטים, חומר אורגני) מייצרים תנודות רקע חזק כי הוא מביס את אות ראומן החלש.זה יכול להיות מופחת על ידי photobleaching, באמצעות אורכי גל לייזר שונים, או יישום עיבוד אותות (למשל, תיקון בסיס).
  • (ב) ⁇ :0) חימום ונזק: כוח לייזר גבוה 1FLT יכול לשרוף או לשנות חלקיקים קטנים, במיוחד פלסטיק כהה.
  • (FLT:0) זמני רכישה ארוכים: 1FLT , לסרוק אזורי מסנן גדולים עם מערכת רכז ראמן איטי יותר מאשר FPA-FTIR, מה שהופך אותו פחות מעשי לניתוח גבוה של חלקיקים > 20 מיקרומטר.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (Irregular חלקיקים ומשטחים יכולים לפזר את הלייזר, להפחית את איכות האות.

מקור: Microplastic Research

ספקטרום ראמן הוא שיטת הבחירה עבור חלקיקים בטווח 1-20 μm, לעתים קרובות נמצא במי שתייה, דגימות רקמות, ואת הפירוק האטמוספרי.היכולת שלו לזהות פולימרים ללא הפרעה מן המים הופכת אותו יקר לניתוח microplastics במשקעים רטובים או נוזלים ביולוגיים. מערכות הדמיה אוטומטית Raman הם עכשיו זמין כי משלבת שלבים ממונעים וספקלי התאמה, המאפשרים חלקיקים למחצה של דגימות של מאות.

טכניקות ספציפיות וטכניקה קשורות

קרוב ל-NIR (NIR) Spectroscopy

NIR spectroscopy (780-2500 nm) בדיקה מעלטונים ושילובים של רטטים בסיסיים.זה פחות ספציפי מ FTIR או Raman אבל מציע רכישת נתונים מהירה יותר וניתן לשלב אותם למכשירים ניידים עבור בדיקות שדה. NIR משמש בדרך כלל לניתוח נרחב של אגן פלסטיק ממין או שברים גדולים (>1 מ"מ) ודורשת ספריות התייחסות מבתולות ואוויריים.

Hyperspectral Imaging (HSI)

מצלמות Hyperspectral רוכשות תמונות בלהקות ארוכות טווח של אורכי גל צרים (שלא ניתן להבחין, NIR או SWIR) בשילוב עם מודלים סכימומטריים, HSI יכול לסווג במהירות סוגים פלסטיים על פני השטח.טכניקה זו מפותחת למיין מיקרופלסטיקים מהחוף ו ניטור של טיפול במים פסולת.זה מספק פשרה בין ספציפיות למהירויות, אם כי יש כיום שיעורי חיובי יותר מאשר שיטות ראייתיות כוזבות.

שיטות מתפתחות: LIBS ו- XRF

לייזר-הבנה פריצת ספקטרוסקופיה (LIBS) משתמש דופק לייזר באנרגיה גבוהה כדי לפסול כמות קטנה של חומר לנתח את ספקטרום פליטה האטומית, בעוד שהוא יכול לזהות אלמנטים (למשל, chlorine, bromine) מעיד על פלסטיק מסוים, אך אינו מספק זיהוי פולימרי ישירות.

אתגרים ב- Spectroscopic Microplastic Detection

המונחים: Contamination control

המקור הגדול ביותר של טעות בניתוח מיקרופלסטי הוא זיהום הסביבה המעבדה.סינטי סיבים מבגדים, אבק פלסטיק באוויר וציוד פלסטי יכול כולם להציג חלקיקים. פרוטוקולים ריגאוריים (למשל, סינון HEPA, מעילי מעבדה כותנה, דגימות מעבדה תכופות) הם הכרחיים.עבור ניתוח ספקטרוסקופי, חייב להיות מרוכז על מסנן נקי (דלקתי, אותות סגסוגת אלומיניום, או לא להפריע) עם דגימות אלומיניום.

גבולות וגילוי

הן FTIR והן Raman יש גבולות דיפרקציה יסודיים המגבילים את גודל החלקיקים הקטן ביותר שניתן לזהותו.ב-Gate FTIR, הגבול המעשי הוא - 10-20 מיקרומטר; ב-Raman, 1 μm הוא achievable בתנאים אידיאליים.Nanoparticles (<1 μm) נשאר מאתגר ובדרך כלל דורש סריקת מיקרוסקופים (SEM) עם אנרגיה-Ray-Ray-Ray-Ray-Rad) כמו תכונות ספקטרום (עדיין לא תכונות פחמן-F) ו-D) כמו N-D (N) ו-S-D) הם עדיין ספקטרום (N) הם עדיין ספקטרום) אך ורק ספקטרום) הם מאתגרים חדשים (N) הם עדיין ⁇ (N) אך דורשים יותר מאשר ספקטרום) אך ורק תכונות אופטימספקים (N) הם רק ⁇ (N) הם עדיין ספקטרום) אך ורק תכונות אופטימספקים חדשים (N) הם מאתגרים חדשים (N) הם עדיין ספקטרום) הם מאתגרים (Nem-D) בדרך כלל-D) בדרך כלל דורשות (N) הם עדיין ספקטרום) הם עדיין ספקטרום (Nem ⁇ (Nem

קריטריונים ספציפיים וניתוח נתונים

דגימות סביבתיות מכילות לעתים קרובות חומר אורגני טבעי (למשל, חומצות לחות, צ'יטין, צלולוז) המייצר ספקטרום חופף עם פלסטיק סינתטי.מזג אוויר ו biofouling יכול גם לשנות את הכימיה של פני השטח של microplastics, שינוי ספקטרום ספקטרלי.זיהוי תיקון דורש ספריות ספקטרליות חזקות הכוללות פלסטיק ו biopolymers נפוצים באמצעות מכונה זיהוי (למשל, תרופות מורכבות), אך ורקמות) הוא צורך באימונים עצביים.

סטנדרטיזציה ושיטתיות אימות

(ב) היעדר פרוטוקולים סטנדרטיים במעבדות פגע היסטורית בשוויון של מחקרים.Efforts כגון:0NIST Microplastics Program of CompalfLT:1, the FLT:2JPI Oceans ProjectureFLT 3:0NIST Microplastics Program (התוכנית מיקרופלסטיקה של ה-FLT:5 הם מניעים את הפרמטרים של קיטובציה, אשר דורשים דיווח, גודל ספקטרום, ספקטרום, חלקיקים, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, סימטרי, , סימטרי, סימטרי, סימטרי.

יישומים בהנדסה סביבתית

מים טריים ומשמרת

שיטות ספציפיות הן עמוד השדרה של תוכניות ניטור עבור microplastics בנהרות, אגמים ואוקיאנוסים.לדוגמה, הדמיה FTIR שימש כדי לאפיין microplastics inFLT:0 New Zealand WaterwaysFLT 1 ו- FLT:2NO Marine Debris ProgramFLT 3 .

שמן פסולת צמחים (WTP) הערכה

TP נחשבים הן מקורות נקודה והן כיור עבור microplastics. ספקטרוסקופי ניתוח של influent, effluent, ו קידוד עוזר לכמת יעילות הסרת efficiencies. מחקרים באמצעות μFTIR הראו כי טיפול משני יכול להסיר > 90% של חלקיקים, אבל המיקרופלסטים הנותרים הם לעתים קרובות מועשרים חלקיקים קטנים יותר ויותר fibrous סטנדרטי.

ניתוח Soil and Sediment Analysis

דגימות של סימנט וקרקע דורשות הסרה יסודית של חומר אורגני (באמצעות התגובה של פנטון, עיכול אנזים, או הפרדה בצפיפות) לפני ניתוח ספקטרוסקופי. ATR-FTIR ו-Raman נפוצים עבור חלקיקים גדולים, בעוד הדמיה μFTIR משמשת עבור שבריריות דק יותר.זיהוי מיקרופלסטיקה באדמה החקלאית היא עדיפות גוברת בהתחשב בתפקיד של מ"ג'ול פלסטיק וביומפולציה כמו מקורות נחמה.

מיקרופלסטיקה

מחקרים על תנוחה אטמוספירית אוספים חלקיקים על מסננים שהונחו במדגם גבוה של ראמן ספקטרום הוא לעתים קרובות המועדפת כאן כי ניתן לנתח מסננים ישירות ללא פיגור.עבודה חדשה זיהתה סיבים ופרקים באוויר העירוני, המקשרת את הסימון למקורות מקורה וחיצוניים.

כיוונים עתידיים וחדשנות

מכשירים ניידים ושדה-Deployable

FTIR קומפקטי ו-Raman spectrometers הופכים זמינים לשימוש שדה. בעוד הם להקריב את פתרון מרחבי ולוחץ, הם מאפשרים בדיקות מהירות של חשודים microplastics במהלך מסעות דגימה.יחידות ATR-FTIR נבדקו על סידים הנהר, ומערכות Raman ניידות משמשים לזיהוי פולימרים מהיר בסקרי פסולת.

אוטומציה ולמידה של מכונות

צוואר הבקבוק של ניתוח מיקרופלסטי משתנה מרכישה של נתונים לעיבוד נתונים.ניתוח תמונה אוטומטית בשילוב עם מערכי למידת מכונה יכול לזהות כעת חלקיקים מתמונות אופטיות או ספקטרליות עם אגורות מעל 90%. Open-source כלים כגון FLT:0open-microend-FLT 1 וחבילות מסחריות (למשל, PerkinElmer's SpectrumIMAGE) מאיץ את המיקרוסקופ העבודה הבא.

גישות היפר-ספקטרום ורב-ספקטרום

הדמיה היפר-ספקטרום ב-Gret אינפרא אדום בתדר הקצר (SWIR, 1000-2500 nm) מצטמצם עבור מל"ט או ניטור מקוון.מערכות אלה יכולות יום אחד למפות נקודות חמות מיקרופלסטיק במים החוף או משככי תעשייתיים ללא איסוף דגימות.

שילוב של ספקטרוסקופיה עם טכניקות אחרות

שיטות היפנוזה - כגון FTIR microscopy יחד עם דיסאופורציה תרמית - גז chromatography -mass spectrometry (TD-GC-MS) - אפשרו ספקולציות כימיות של פולימרים ופרסומות contaminants. בדומה, Raman spectroscopy משולב עם סריקת מיקרוסקופים אלקטרונים (SEM-Raman) מספק מורפיום וזהות מולקולרית בקנה מידה מיקרוסקופי.

מסקנה

שיטות ספציפיות של ספקטרוסקופיות – במיוחד FTIR ו-Raman spectroscopy – כלי חיוני לזיהוי מדויק וזיהוי של מיקרופלסטיקה בדגימות הנדסיות סביבתיות.כל טכניקה מציעה יתרונות נפרדים: FTIR עולה בבדיקה גבוהה של חלקיקים גדולים יותר עם תמיכה בנפח הספרייה, בעוד ראמן מספק פתרון מעולה עבור חלקיקים קטנים ועובדות במובלות רטובות, מעקב אחר טכנולוגיות מתקדמות, מעקב ומעבדות, הן שיטות ניטור סטנדרטיות, הן שיטות בקרה מתקדמות יותר.